RBBA3000-50: Nicht isolierter DC/DC-Wandler mit Hochstromleistung
25.05.2023
Der RBBA3000-50 ist ein intelligenter Hochstrom-Abwärtswandler (50A), der auf einem internen digitalen Signalprozessor basiert.
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Vorwort
Der RBBA3000-50 ist ein intelligenter Hochstrom-Abwärts-/Aufwärtswandler (50A), der auf einem internen digitalen Signalprozessor (DSP) basiert. Durch den Einsatz eines dedizierten DSP-Controllers können zusätzliche Funktionen implementiert werden, wodurch dieses Produkt besonders geeignet ist für zahlreiche praktische Anwendungen in der Stromversorgung, einschließlich rein analoger Systeme. Neben einer sehr schnellen Reaktion auf transiente Lasten unterstützt der DSP-Kern auch eine umfassende Reihe von Schutzfunktionen am Ausgang, darunter Kurzschluss, einstellbare Ausgangsstrombegrenzung, Überspannungsschutz und Übertemperaturschutz.
Der Eingangsspannungsbereich reicht von 9V bis 60VDC und bietet eine 100-ms-Überspannungsfestigkeit bis zu 80VDC. Dieser große Spannungsbereich macht den RBBA3000-50 ideal für batteriebetriebene Systeme mit Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Akkus, bei denen es zu Spannungsspitzen kommen kann, wenn die Last plötzlich getrennt wird. Der Eingang verfügt über eine Unterspannungsabschaltung (UVLO), die den Wandler deaktiviert, wenn die Eingangsspannung unter 6V (typ.) fällt.
Ein zunehmender Trend geht weg von unterbrechungsfreien Wechselstromversorgungen (USV) hin zu gleichstromgestützten Systemen, um die Funktionalität bei Stromausfällen sicherzustellen. Die Nutzung einer AC-Versorgung zum Laden einer Batterie oder eines Superkondensator-Energiespeichers und die anschließende Umwandlung der gespeicherten Energie in Wechselstrom für den Notbetrieb ist ineffizient in Bezug auf die Versorgungskontinuität. Die Leistungsverluste sowohl im DC-Ladestromkreis als auch im nachgeschalteten AC-Wechselrichter sind erheblich. Daher können die meisten USV-Systeme nur genügend Energie speichern, um das System für wenige Minuten zu betreiben – genug, um Computer sicher herunterzufahren, jedoch unzureichend für mechanische Systeme wie Roboter oder Montagemaschinen, um Aufgaben zu beenden oder in eine sichere Ruheposition zurückzukehren. Im Gegensatz dazu ermöglicht ein 48VDC-Hochstromsystem ein direktes Batterie-Backup mit ausreichend Leistung, um selbst schwere industrielle Montageanlagen sicher zurückzusetzen. Der RBBA3000-50 ist ideal für solche Anwendungen geeignet, da er einen stabilen 48V-Ausgang aus einer Eingangsspannung liefern kann, die höher, gleich oder niedriger als 48VDC ist.
Der Wandler ist in einem Standard-Halbziegelgehäuse untergebracht und verfügt über eine Aluminium-Grundplatte für eine effiziente thermische Anbindung an einen Kühlkörper. Mit geeigneter Kühlung kann der RBBA3000-50 bei Volllast über den gesamten industriellen Temperaturbereich von -40°C bis +85°C betrieben werden. Das Datenblatt enthält Berechnungsbeispiele zur erforderlichen Leistungsderatung abhängig von Kühlkörpergröße oder Einsatzhöhe. Zudem sind vier Gewindeeinsätze vorhanden, um den Wandler sicher auf Leiterplatte und Kühlkörper zu befestigen.
Alle Stromversorgungen müssen strengen Grenzwerten für abgestrahlte und leitungsgebundene elektromagnetische Störungen (EMI) entsprechen. Das RBBA3000-50-Datenblatt bietet Empfehlungen zur externen EMV-Filterung zur Einhaltung der Norm EN55032 Klasse A.
Der Eingangsspannungsbereich reicht von 9V bis 60VDC und bietet eine 100-ms-Überspannungsfestigkeit bis zu 80VDC. Dieser große Spannungsbereich macht den RBBA3000-50 ideal für batteriebetriebene Systeme mit Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Akkus, bei denen es zu Spannungsspitzen kommen kann, wenn die Last plötzlich getrennt wird. Der Eingang verfügt über eine Unterspannungsabschaltung (UVLO), die den Wandler deaktiviert, wenn die Eingangsspannung unter 6V (typ.) fällt.
Ein zunehmender Trend geht weg von unterbrechungsfreien Wechselstromversorgungen (USV) hin zu gleichstromgestützten Systemen, um die Funktionalität bei Stromausfällen sicherzustellen. Die Nutzung einer AC-Versorgung zum Laden einer Batterie oder eines Superkondensator-Energiespeichers und die anschließende Umwandlung der gespeicherten Energie in Wechselstrom für den Notbetrieb ist ineffizient in Bezug auf die Versorgungskontinuität. Die Leistungsverluste sowohl im DC-Ladestromkreis als auch im nachgeschalteten AC-Wechselrichter sind erheblich. Daher können die meisten USV-Systeme nur genügend Energie speichern, um das System für wenige Minuten zu betreiben – genug, um Computer sicher herunterzufahren, jedoch unzureichend für mechanische Systeme wie Roboter oder Montagemaschinen, um Aufgaben zu beenden oder in eine sichere Ruheposition zurückzukehren. Im Gegensatz dazu ermöglicht ein 48VDC-Hochstromsystem ein direktes Batterie-Backup mit ausreichend Leistung, um selbst schwere industrielle Montageanlagen sicher zurückzusetzen. Der RBBA3000-50 ist ideal für solche Anwendungen geeignet, da er einen stabilen 48V-Ausgang aus einer Eingangsspannung liefern kann, die höher, gleich oder niedriger als 48VDC ist.
Der Wandler ist in einem Standard-Halbziegelgehäuse untergebracht und verfügt über eine Aluminium-Grundplatte für eine effiziente thermische Anbindung an einen Kühlkörper. Mit geeigneter Kühlung kann der RBBA3000-50 bei Volllast über den gesamten industriellen Temperaturbereich von -40°C bis +85°C betrieben werden. Das Datenblatt enthält Berechnungsbeispiele zur erforderlichen Leistungsderatung abhängig von Kühlkörpergröße oder Einsatzhöhe. Zudem sind vier Gewindeeinsätze vorhanden, um den Wandler sicher auf Leiterplatte und Kühlkörper zu befestigen.
Alle Stromversorgungen müssen strengen Grenzwerten für abgestrahlte und leitungsgebundene elektromagnetische Störungen (EMI) entsprechen. Das RBBA3000-50-Datenblatt bietet Empfehlungen zur externen EMV-Filterung zur Einhaltung der Norm EN55032 Klasse A.
Einstellung der Ausgangsspannung
Der RBBA3000-50 stellt standardmäßig eine Ausgangsspannung von etwa 1,3V bereit, wenn weder ein Ausgangsspannungstrimmwiderstand noch eine Trimmspannung angeschlossen ist. Dieses Sicherheitsmerkmal sorgt dafür, dass die hohe Ausgangsstromfähigkeit des Wandlers die Anwendung des Benutzers während Tests oder im Fall eines Platinenfehlers nicht beschädigt. Es gibt zwei Methoden zur Einstellung der Ausgangsspannung: über einen externen Widerstand oder durch Anlegen einer externen Trimmspannung. Der Trim-Pin wird kontinuierlich vom internen DSP-Kern überwacht, sodass eine dynamische Anpassung der Ausgangsspannung möglich ist. Dies ermöglicht beispielsweise eine Anpassung der Versorgungsspannung abhängig von der Last oder dem Standby-Zustand, um den Gesamtstromverbrauch zu reduzieren.
Einstellung der Ausgangsspannung mit einem Festwiderstand
Die Berechnung sieht wie folgt aus:
RTrim = Wert des Trimmwiderstands [Ω]
Voutset = erforderliche Ausgangsspannung [V]
Zum Beispiel könnten die folgenden, häufig verwendeten Ausgangsspannungs-Trimmwiderstände verwendet werden.
Ausgehend von der obigen Tabelle könnte ein 50kΩ-Potentiometer verwendet werden, um die Ausgangsspannung über den Bereich von 12V bis 60V manuell einzustellen.
Abb. 1: Voutset
Voutset = erforderliche Ausgangsspannung [V]
Zum Beispiel könnten die folgenden, häufig verwendeten Ausgangsspannungs-Trimmwiderstände verwendet werden.
| Geforderte Ausgangsspannung | Trim-Widerstand (E96) [KΩ] |
|---|---|
| 12 | 35.7 |
| 15 | 28.0 |
| 24 | 15.0 |
| 36 | 7.15 |
| 48 | 3.01 |
| 60 | 0.392 |
Tabelle 1: Erforderliche Ausgangsspannung/Trim-Widerstand
Ausgehend von der obigen Tabelle könnte ein 50kΩ-Potentiometer verwendet werden, um die Ausgangsspannung über den Bereich von 12V bis 60V manuell einzustellen.
Abb. 1: Voutset
Einstellung der Ausgangsspannung mit einer externen Spannung
Die Ausgangsspannung des RBBA3000-50 kann auch mit einer externen Spannung eingestellt werden. Die Berechnung sieht wie folgt aus:
VsetU = externe Spannung [V]
Vout,set = erforderliche Ausgangsspannung [V]
Abb. 2: Vout ext. V Steuerung
Eine interne Spannungsreferenz zieht den Trim-Pin auf 2,5V (Vout = 0V) hoch, wenn dieser offen bleibt. Aus Stabilitätsgründen reagiert die Ausgangsspannung auf Änderungen der VsetU-Spannung mit einer Steigung von etwa 100mV/ms. Zwar ist eine dynamische Spannungsanpassung möglich, um sich an unterschiedliche Betriebsbedingungen anzupassen, jedoch ist die Reaktionszeit nicht schnell genug für Funktionen wie die dynamische Verfolgung von Signalhüllkurvenspannungen. Wenn die Anwendung jedoch in den Standby-Modus wechselt und die Ausgangsspannung beispielsweise von 24V auf 12V reduziert wird, um den Stromverbrauch zu halbieren, erfolgt das Umschalten in den Standby- und den Aktivmodus sehr schnell.
Vout,set = erforderliche Ausgangsspannung [V]
Abb. 2: Vout ext. V Steuerung
Eine interne Spannungsreferenz zieht den Trim-Pin auf 2,5V (Vout = 0V) hoch, wenn dieser offen bleibt. Aus Stabilitätsgründen reagiert die Ausgangsspannung auf Änderungen der VsetU-Spannung mit einer Steigung von etwa 100mV/ms. Zwar ist eine dynamische Spannungsanpassung möglich, um sich an unterschiedliche Betriebsbedingungen anzupassen, jedoch ist die Reaktionszeit nicht schnell genug für Funktionen wie die dynamische Verfolgung von Signalhüllkurvenspannungen. Wenn die Anwendung jedoch in den Standby-Modus wechselt und die Ausgangsspannung beispielsweise von 24V auf 12V reduziert wird, um den Stromverbrauch zu halbieren, erfolgt das Umschalten in den Standby- und den Aktivmodus sehr schnell.
Ausgangsstrombegrenzung (max. Ausgangsstrom)
Der RBBA3000-50 hat eine Ausgangsstrombegrenzung von 55A, wenn der Iset-Pin (Pin #4) nicht angeschlossen ist. Wenn also keine Ausgangsstrombegrenzung erforderlich ist, lassen Sie den Iset-Pin potentialfrei.
Es gibt zwei Möglichkeiten, den Ausgangsstrom zu begrenzen (max. Ausgangsstrom): über einen externen festen oder variablen Widerstand oder über eine extern angelegte Sollspannung. Der Iset-Pin wird vom internen DSP-Kern kontinuierlich überwacht, sodass eine dynamische Ausgangsstrombegrenzung möglich ist. So kann die Strombegrenzung beispielsweise erhöht werden, um hohe Einschaltströme zu bewältigen, und anschließend reduziert werden, um Schäden an der Anwendung unter Überlastbedingungen zu vermeiden. Bei der Strombegrenzungsfunktion handelt es sich um den Schluckauf-Modus, d.h. wenn der Ausgang überlastet oder kurzgeschlossen wird, wird der Ausgang für einige Zeit abgeschaltet und der Wandler versucht, neu zu starten.
Es gibt zwei Möglichkeiten, den Ausgangsstrom zu begrenzen (max. Ausgangsstrom): über einen externen festen oder variablen Widerstand oder über eine extern angelegte Sollspannung. Der Iset-Pin wird vom internen DSP-Kern kontinuierlich überwacht, sodass eine dynamische Ausgangsstrombegrenzung möglich ist. So kann die Strombegrenzung beispielsweise erhöht werden, um hohe Einschaltströme zu bewältigen, und anschließend reduziert werden, um Schäden an der Anwendung unter Überlastbedingungen zu vermeiden. Bei der Strombegrenzungsfunktion handelt es sich um den Schluckauf-Modus, d.h. wenn der Ausgang überlastet oder kurzgeschlossen wird, wird der Ausgang für einige Zeit abgeschaltet und der Wandler versucht, neu zu starten.
Einstellung der Ausgangsstromgrenze mit einem Festwiderstand
Die Berechnung sieht wie folgt aus:
RIset = Wert des Strombegrenzungs-Trimmwiderstands (Ω)
Ioutset = erforderliche Ausgangsstromgrenze (A)
Zum Beispiel könnten die folgenden, häufig verwendeten Ausgangsstrombegrenzungs-Trimmwiderstände verwendet werden.
Auf der Grundlage der obigen Tabelle könnte ein 33kΩ-Potentiometer in Reihe mit einem 2R-Widerstand verwendet werden, um die Ausgangsstromgrenze im Bereich von 48A bis 10A manuell einzustellen.
Abb. 3: RBBA-Ausgangsstrombegrenzung via RIset.
Ioutset = erforderliche Ausgangsstromgrenze (A)
Zum Beispiel könnten die folgenden, häufig verwendeten Ausgangsstrombegrenzungs-Trimmwiderstände verwendet werden.
| Erforderliche Stromgrenze [A] | Trim-Widerstand (E96) [KΩ] |
|---|---|
| 10 | 1.78 |
| 20 | 4.32 |
| 30 | 8.25 |
| 40 | 15.4 |
| 50 | 31.6 |
| 55 | floating |
Tabelle 2: Erforderliche Strombegrenzung / Iset - Widerstand
Auf der Grundlage der obigen Tabelle könnte ein 33kΩ-Potentiometer in Reihe mit einem 2R-Widerstand verwendet werden, um die Ausgangsstromgrenze im Bereich von 48A bis 10A manuell einzustellen.
Abb. 3: RBBA-Ausgangsstrombegrenzung via RIset.
Einstellung der Ausgangsstromgrenze mit einer externen Spannung
Die Ausgangsstromgrenze des RBBA3000-50 kann auch mit einer externen Spannung eingestellt werden.
Die Berechnung sieht wie folgt aus:
VsetI = externe Spannung [V]
Iout,set = erforderliche Ausgangsstromgrenze [A]
Abb. 4: RBBA3000-50 Ausgangsstrombegrenzung via Vset.
Diese Funktion ermöglicht die DAC-Steuerung der Ausgangsstrombegrenzungseinstellung für die dynamische Strombegrenzung.
Abb. 5: Ioutset DAC-Steuerung
Eine interne Spannungsreferenz zieht den Iset-Pin auf 3,3V hoch (Ioutset = 55A), wenn der Pin nicht angeschlossen ist. Wenn keine Ausgangsstrombegrenzung erforderlich ist, lassen Sie daher den Iset-Pin offen. Ein Anwendungsbeispiel für die Verwendung dieser Funktion zur Herstellung eines leistungsbegrenzten (Konstantspannungs-/Konstantstrom-) Wandlers finden Sie im nächsten Abschnitt.
Die Berechnung sieht wie folgt aus:
Iout,set = erforderliche Ausgangsstromgrenze [A]
Abb. 4: RBBA3000-50 Ausgangsstrombegrenzung via Vset.
| Stromgrenze [A] | VIset [V] |
|---|---|
| 5 | 0.25 |
| 10 | 0.5 |
| 20 | 1.0 |
| 30 | 1.5 |
| 40 | 2.0 |
| 50 | 2.5 |
| 55 | floating |
Tabelle 3: Stromgrenze/VsetI
Diese Funktion ermöglicht die DAC-Steuerung der Ausgangsstrombegrenzungseinstellung für die dynamische Strombegrenzung.
Abb. 5: Ioutset DAC-Steuerung
Eine interne Spannungsreferenz zieht den Iset-Pin auf 3,3V hoch (Ioutset = 55A), wenn der Pin nicht angeschlossen ist. Wenn keine Ausgangsstrombegrenzung erforderlich ist, lassen Sie daher den Iset-Pin offen. Ein Anwendungsbeispiel für die Verwendung dieser Funktion zur Herstellung eines leistungsbegrenzten (Konstantspannungs-/Konstantstrom-) Wandlers finden Sie im nächsten Abschnitt.
Aktueller Anteil / Aktuelle Überwachung
Aktuelle Überwachung
Der RBBA3000-50 verfügt über einen Stromteilungs-/Stromüberwachungspin mit Doppelfunktion. Bei Einzelwandler-Anwendungen kann dieser Pin zur Überwachung der Ausgangslast verwendet werden. Die vom Wandler erzeugte Spannung steht in einer linearen Beziehung zum Ausgangsstrom.
Abb. 6: Imon
Diese Funktion macht einen externen Shunt-Widerstand zur Überwachung des Hochstroms überflüssig und beseitigt somit die Nachteile von Leistungsverlusten und temperaturabhängigen Schwankungen. Ebenso entfallen die Kosten für einen Hochstrom-Präzisions-Shunt, einen Verstärker und einen Stromspiegel.
Abb. 7: Stromüberwachung cct
Der Ishare-Ausgang kann auch mit einem ADC verbunden werden, um den RBBA3000-50 mit einem Mikrocontroller zu koppeln und eine kontinuierliche Lastüberwachung zu ermöglichen.
Das folgende Beispiel zeigt eine ...
Abb. 6: Imon
Diese Funktion macht einen externen Shunt-Widerstand zur Überwachung des Hochstroms überflüssig und beseitigt somit die Nachteile von Leistungsverlusten und temperaturabhängigen Schwankungen. Ebenso entfallen die Kosten für einen Hochstrom-Präzisions-Shunt, einen Verstärker und einen Stromspiegel.
Abb. 7: Stromüberwachung cct
Der Ishare-Ausgang kann auch mit einem ADC verbunden werden, um den RBBA3000-50 mit einem Mikrocontroller zu koppeln und eine kontinuierliche Lastüberwachung zu ermöglichen.
Das folgende Beispiel zeigt eine ...
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