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

Another example of 3DPP^® has resulted in an isolated product that is truly IC-like. The new RECOM RxxCTExxS series is in a molded SOIC-16 (wide) package 10.3mm x 7.7mm footprint that is just 2.65mm high, ideal for space-constrained applications. The product (Figure 3), unlike the previous examples, features galvanic isolation. The gull-wing terminations are extensions of an internal leadframe with a control IC and proprietary planar transformer that are wire-bonded to it.

It has been a long-standing problem to achieve robust isolation in DC/DC converters as they shrink in size. Any agency safety approvals also require minimum insulation levels and creepage and clearance distance, both internally and externally across the pins. However, the RxxCTExxS starts with the advantage that the gull wing arrangement allows better than 8mm externally. The new cost-effective RxxCTExxS series includes parts which achieve 3kVDC/1 minute isolation with IEC/UL/EN 62368-1 agency-rated ‘Basic’ isolation, so they can be used as part of a product safety isolation system.

Designers of the product had to take a radical new approach to the product packaging to enable the functionality and high isolation ratings to be achieved. A traditional toroidal transformer could not meet the insulation requirements and a discrete E-core with bobbin or similar would be too big, so switching frequency was pushed up to as high as 30MHz, allowing far fewer winding turns and a small planar transformer core, while incorporating solid interwinding insulation to meet the isolation requirements.

Bei wechselstrombetriebenen Geräten müssen mindestens 2 x MOOPs oder 2 x MOPPs von der Wechselstromleitung zum Ausgang isoliert sein, je nachdem, ob das Gerät in einer „Bediener“- oder „Patienten“-Umgebung eingesetzt werden soll. Ausgänge, die an den Patienten angeschlossen werden, müssen jedoch auch durch mindestens 1 x MOPP von der Erde isoliert sein, um die Möglichkeit auszuschließen, dass der Patient durch andere fehlerhafte Geräte unter Spannung gesetzt wird und dann ein tödlicher Strom durch den Patienten zur Erde des nicht fehlerhaften Geräts fließen kann. Viele AC/DC-Wandler bieten diesen Grad der Isolierung vom Ausgang zur Erde nicht oder bestenfalls 1 xMOOP. Ein zusätzlicher isolierter DC/DC-Wandler, der die Schaltkreise zum Patientenanschluss mit Strom versorgt, kann in dieser Situation Abhilfe schaffen. Wenn er über eine geeignete Isolierung in medizinischer Qualität verfügt, kann er es ermöglichen, dass ein AC/DC mit nur 1 x MOOP Ausgangsisolierung gegen Erde in einer Anwendung mit Patientenanschluss verwendet werden kann (Abbildung 5).

Im Vergleich zu einem einzelnen AC/DC mit 1 x MOPP gegen Erde kann die Kombination aus einem gebräuchlicheren AC/DC mit 1 x MOOP und einem kosteneffektiven medizinischen DC/DC-Wandler eine wirtschaftliche Lösung darstellen. Obwohl der DC/DC-Wandler normalerweise nur Niederspannungseingänge und -ausgänge hat, muss seine Sicherheitseinstufung in Bezug auf MOPs in dieser Anwendung für die „System“-Spannung, typischerweise 250VAC, gelten. Es ist Vorsicht geboten, da einige Teile von Wettbewerbern, die mit „2 x MOPP“ beworben werden, nur für niedrige Systemspannungen, vielleicht 30VAC, geeignet sind, was für die Anwendung von geringem Wert ist.

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

Ein zusätzlicher 2 x MOPP-zertifizierter DC/DC-Wandler sorgt für die erforderliche vollständige Isolierung der Signaleingänge und ermöglicht die Verwendung des kostengünstigeren AC/DC-Wandlers mit „Betreiberzertifizierung“ 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 auch hier reduziert der DC/DC-Wandler mit seiner geringen Isolationskapazität diesen auf ein leicht akzeptables Maximum. Der DC/DC-Wandler muss in der Regel nur eine geringe Leistung für eine signalisolierte Schnittstelle zum Patientenanschluss bereitstellen und ist daher relativ klein und kostengünstig.

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