Fortschrittliches '3D Power Packaging' ermöglicht Miniaturisierung von DC/DC-Wandlern

Ein weiteres Beispiel für 3DPP^® ist die Entwicklung eines isolierten Produkts, das stark einem IC ähnelt. Die neue RECOM RxxCTExxS-Serie wird in einem vergossenen SOIC-16-(Wide)-Gehäuse mit einer kompakten Grundfläche von 10,3mm × 7,7mm und einer Höhe von nur 2,65mm geliefert, was sie ideal für platzkritische Anwendungen macht. Anders als die vorherigen Beispiele verfügt dieses Produkt (Abbildung 3) über galvanische Isolation. Die Gullwing-Anschlüsse ragen aus einem internen Leadframe hervor, das einen Steuer-IC und einen proprietären planaren Transformator enthält, die beide drahtgebunden daran angeschlossen sind.

Die Umsetzung einer zuverlässigen Isolation in DC/DC-Wandlern war lange eine Herausforderung, insbesondere da ihre Größe stetig abnimmt. Sicherheitszulassungen von Behörden erfordern zudem Mindestisolationswerte sowie definierte Kriech- und Luftstrecken, sowohl intern als auch extern zwischen den Pins. Die RxxCTExxS-Serie profitiert von der Gullwing-Anordnung, die extern eine Luftstrecke von mehr als 8mm ermöglicht. Diese neue, kostengünstige Serie umfasst Modelle, die eine Isolation von 3kVDC für 1 Minute erreichen und nach IEC/UL/EN 62368-1 mit „Basic“-Isolation zertifiziert sind, sodass sie in Sicherheitsisoliersystemen verwendet werden können.

Um die gewünschte Funktionalität und hohe Isolationswerte zu erreichen, mussten die Entwickler einen grundlegend neuen Ansatz für das Packaging wählen. Ein traditioneller toroidaler Transformator konnte die Isolationsanforderungen nicht erfüllen, und ein diskreter E-Kern mit Spulenkörper oder ähnlichem Aufbau wäre zu groß gewesen. Daher wurde die Schaltfrequenz auf 30MHz erhöht, wodurch sich die Anzahl der Windungen reduzierte und ein kleinerer planarer Transformatorkern verwendet werden konnte. Zudem wurde eine feste Wicklungsisolation integriert, um die geforderten Isolationsstandards zu erfüllen.

Im Fall von wechselstrombetriebenen Geräten müssen mindestens 2 x MOOPs oder 2 x MOPPs von der Wechselstromleitung zum Ausgang isoliert sein, abhängig davon, ob das Gerät in einer „Bediener“- oder „Patienten“-Umgebung verwendet wird. Patientenanschlüsse müssen jedoch auch mindestens 1 x MOPP von der Erde isoliert sein, um die Möglichkeit zu berücksichtigen, dass der Patient durch ein fehlerhaftes Gerät unter Spannung gesetzt wird. Dadurch könnte ein potenziell tödlicher Strom durch den Patienten zur Erde des intakten Geräts fließen.

Viele AC/DC-Wandler bieten diese Isolationsstufe vom Ausgang zur Erde nicht oder bestenfalls nur 1 x MOOP. Ein zusätzlicher isolierter DC/DC-Wandlerr, der die Patientenanschluss-Schaltungen mit Strom versorgt, kann in dieser Situation eine Lösung darstellen. Wenn er über eine geeignete medizinische Isolierung verfügt, kann er den Einsatz eines AC/DC-Wandlers mit nur 1 x MOOP Ausgangsisolierung gegen Erde in einer Patientenanschluss-Anwendung ermöglichen (Abbildung 5).

Im Vergleich zu einem einzelnen AC/DC mit 1x MOPP gegen Erde kann die Kombination aus einem gebräuchlicheren AC/DC mit 1x MOOP und einem kosteneffizienten medizinischen DC/DC-Wandler eine wirtschaftlichere Lösung sein. Obwohl der DC/DC-Wandler normalerweise nur Niederspannungseingänge und -ausgänge hat, muss seine Sicherheitseinstufung in Bezug auf MOPs in dieser Anwendung für die „Systemspannung“, typischerweise 250VAC, berücksichtigt werden. Vorsicht, da einige Teile von Wettbewerbern, die mit „2x MOPP“ beworben werden, nur für niedrige Systemspannungen, vielleicht 30VAC, gelten, was in dieser Anwendung kaum Nutzen bietet.

Ein weiteres Szenario ist in Abbildung 5 dargestellt, bei dem nicht spezifizierte Signaleingangs-/-ausgangsverbindungen (SIPP und/oder SOPP), wie z. B. Kommunikationsanschlüsse zu Geräten, die entweder mit Wechselstrom oder mit Batterien betrieben werden, vorliegen. Zwischen den Patientenanschlüssen und den Signalen müssen 2x MOPP als Barriere vorhanden sein, um zu verhindern, dass ein externer Fehler die Signale unter Spannung setzt. Auch hier kann ein zusätzlicher DC/DC-Wandler die erforderliche Isolierung hinzufügen. Abbildung 5 zeigt eine AC/DC-Stromversorgung der Klasse I, ausgelegt für 2x MOOP-medizinische Anwendungen, mit nicht spezifizierten Systemsignaleingängen.

Ein zusätzlicher 2x MOPP-zertifizierter DC/DC-Wandler sorgt für die vollständige Isolierung der Signaleingänge und ermöglicht die Verwendung eines kostengünstigeren „Betreiber-zertifizierten“ AC/DC-Wandlers in einer Situation, in der ein Patient angeschlossen ist. Der AC/DC-Wandler allein hat wahrscheinlich einen zu hohen Ableitstrom für Anwendungen mit Patientenanschluss, aber der DC/DC-Wandler, mit seiner geringen Isolationskapazität, reduziert den Ableitstrom auf ein akzeptables Niveau. Der DC/DC-Wandler muss in der Regel nur eine minimale Leistung für eine signalisolierte Schnittstelle zum Patientenanschluss bereitstellen und ist daher relativ klein und kostengünstig.

Batteriebetriebene Geräte fallen in die gleiche Kategorie und erfordern 2x MOPP-Isolierung zwischen den patientenseitigen Ausgängen und allen nicht spezifizierten Geräten, die angeschlossen werden könnten—wie ein Batterieladegerät oder ein Drucker über ein USB-Kabel. Auch hier ist ein 2x MOPP-DC/DC-Wandler zur Versorgung der isolierten patientenseitigen Schnittstellenschaltungen eine Lösung.