RBBA3000-50 Nicht isolierter high-current DC/DC-Wandler
25.05.2023
Der RBBA3000-50 ist ein intelligenter Hochstrom-Abwärtswandler (50A), der auf einem internen digitalen Signalprozessor basiert.
1. Vorowrt
Der RBBA3000-50 ist ein intelligenter Hochstrom-Abwärtswandler (50A), der auf einem internen digitalen Signalprozessor basiert. Durch die Verwendung eines dedizierten DSP-Controllers können zusätzliche Funktionen implementiert werden, wodurch dieses Produkt in vielen praktischen Stromversorgungsanwendungen, einschließlich rein analoger Stromversorgungen, besonders nützlich ist. Neben einer sehr schnellen Reaktion auf transiente Lasten unterstützt der DSP-Kern auch eine umfassende Reihe von Ausgangsschutzfunktionen wie Kurzschluss, einstellbare Ausgangsstrombegrenzung, Überspannungsschutz und Übertemperaturschutz.
Der Eingangsspannungsbereich reicht von 9V bis 60VDC mit einer 100ms-Überspannungsfestigkeit von bis zu 80VDC. Dieser große Eingangsspannungsbereich macht den RBBA3000-50 vorteilhaft für batteriebetriebene Systeme auf der Basis von Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Akkus, bei denen die Versorgungsspannung des Ladegeräts bei einer plötzlichen Unterbrechung der Batterieladung ansteigen kann. Der Eingang verfügt über eine Unterspannungsabschaltung (UVLO), die den Wandler abschaltet, wenn die Eingangsspannung unter 6V (typ.) fällt.
Der Trend geht immer mehr weg von unterbrechungsfreien Wechselstromversorgungen (USV) und hin zu Gleichstromversorgungen, um die Funktionsfähigkeit während eines Stromausfalls zu gewährleisten. Die Verwendung einer Wechselstromversorgung zum Aufladen einer Batterie oder eines Superkondensator-Energiespeichers und die anschließende Verwendung dieser gespeicherten Energie zur Bereitstellung von Wechselstrom für die Anwendung im Notfall ist sehr ineffizient, um die Kontinuität der Versorgung sicherzustellen. Die Leistungsverluste im DC-Ladestromkreis und im nachfolgenden AC-Wechselrichter sind beträchtlich. Daher können die meisten USVs nur genug Energie speichern, um das System für einige Minuten zu betreiben. Dies reicht für alle Computer aus, um sich abzuschalten, aber selten für mechanische Systeme wie Roboter oder Montagemaschinen, um die aktuelle Aufgabe zu beenden und in die Ruheposition zu fahren, um einen schnellen Neustart zu ermöglichen, wenn die Netzspannung wieder anliegt. Im Gegensatz dazu ermöglicht der Betrieb des gesamten Systems mit einer Hochstromversorgung von 48-VDC die Verwendung eines direkten Batterie-Backups mit ausreichender Leistung, um selbst schwere industrielle Montageanlagen sicher zurücksetzen zu können. Der RBBA3000-50 ist ein ideales Bauteil für solche Systeme und ist in der Lage, einen stabilen 48V-Ausgang aus einer Eingangsspannung zu liefern, die höher, gleich oder niedriger als 48VDC ist.
Der Wandler ist in ein Standard-Halbziegelgehäuse mit einer Aluminium-Grundplatte für eine effiziente thermische Verbindung mit einem Kühlkörper eingebaut. Bei entsprechender Kühlung kann der RBBA3000-50 bis zur Volllast über den gesamten industriellen Umgebungstemperaturbereich von -40°C bis +85°C eingesetzt werden. Das Datenblatt des RBBA3000-50 enthält Berechnungsbeispiele für das notwendige Leistungsderating in Abhängigkeit von der Größe des verfügbaren Kühlkörpers oder der Höhenlage der Anwendung. Außerdem werden vier Gewindeeinsätze mitgeliefert, mit denen der Wandler sowohl auf der Leiterplatte als auch auf dem Kühlkörper sicher befestigt werden kann.
Alle Netzteile müssen strenge Grenzwerte für abgestrahlte und leitungsgebundene EMI (elektromagnetische Störungen) einhalten. Das Datenblatt des RBBA3000-50 enthält Vorschläge für die erforderliche externe EMV-Filterung zur Einhaltung der Grenzwerte EN55032 Klasse A.
Der Eingangsspannungsbereich reicht von 9V bis 60VDC mit einer 100ms-Überspannungsfestigkeit von bis zu 80VDC. Dieser große Eingangsspannungsbereich macht den RBBA3000-50 vorteilhaft für batteriebetriebene Systeme auf der Basis von Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Akkus, bei denen die Versorgungsspannung des Ladegeräts bei einer plötzlichen Unterbrechung der Batterieladung ansteigen kann. Der Eingang verfügt über eine Unterspannungsabschaltung (UVLO), die den Wandler abschaltet, wenn die Eingangsspannung unter 6V (typ.) fällt.
Der Trend geht immer mehr weg von unterbrechungsfreien Wechselstromversorgungen (USV) und hin zu Gleichstromversorgungen, um die Funktionsfähigkeit während eines Stromausfalls zu gewährleisten. Die Verwendung einer Wechselstromversorgung zum Aufladen einer Batterie oder eines Superkondensator-Energiespeichers und die anschließende Verwendung dieser gespeicherten Energie zur Bereitstellung von Wechselstrom für die Anwendung im Notfall ist sehr ineffizient, um die Kontinuität der Versorgung sicherzustellen. Die Leistungsverluste im DC-Ladestromkreis und im nachfolgenden AC-Wechselrichter sind beträchtlich. Daher können die meisten USVs nur genug Energie speichern, um das System für einige Minuten zu betreiben. Dies reicht für alle Computer aus, um sich abzuschalten, aber selten für mechanische Systeme wie Roboter oder Montagemaschinen, um die aktuelle Aufgabe zu beenden und in die Ruheposition zu fahren, um einen schnellen Neustart zu ermöglichen, wenn die Netzspannung wieder anliegt. Im Gegensatz dazu ermöglicht der Betrieb des gesamten Systems mit einer Hochstromversorgung von 48-VDC die Verwendung eines direkten Batterie-Backups mit ausreichender Leistung, um selbst schwere industrielle Montageanlagen sicher zurücksetzen zu können. Der RBBA3000-50 ist ein ideales Bauteil für solche Systeme und ist in der Lage, einen stabilen 48V-Ausgang aus einer Eingangsspannung zu liefern, die höher, gleich oder niedriger als 48VDC ist.
Der Wandler ist in ein Standard-Halbziegelgehäuse mit einer Aluminium-Grundplatte für eine effiziente thermische Verbindung mit einem Kühlkörper eingebaut. Bei entsprechender Kühlung kann der RBBA3000-50 bis zur Volllast über den gesamten industriellen Umgebungstemperaturbereich von -40°C bis +85°C eingesetzt werden. Das Datenblatt des RBBA3000-50 enthält Berechnungsbeispiele für das notwendige Leistungsderating in Abhängigkeit von der Größe des verfügbaren Kühlkörpers oder der Höhenlage der Anwendung. Außerdem werden vier Gewindeeinsätze mitgeliefert, mit denen der Wandler sowohl auf der Leiterplatte als auch auf dem Kühlkörper sicher befestigt werden kann.
Alle Netzteile müssen strenge Grenzwerte für abgestrahlte und leitungsgebundene EMI (elektromagnetische Störungen) einhalten. Das Datenblatt des RBBA3000-50 enthält Vorschläge für die erforderliche externe EMV-Filterung zur Einhaltung der Grenzwerte EN55032 Klasse A.
2. Einstellung der Ausgangsspannung
Der RBBA3000-50 hat eine Ausgangsspannung von 1.3V, wenn der Ausgangsspannungstrimmwiderstand oder die Trimmspannung nicht angeschlossen ist. Dies ist ein Sicherheitsmerkmal, um sicherzustellen, dass die hohe Ausgangsstromfähigkeit des Wandlers die Anwend¬ung des Benutzers während der Prüfung oder im Falle eines Platinenfehlers nicht beschädigt.
Es gibt zwei Möglichkeiten, die Ausgangsspannung einzustellen: über einen externen Widerstand oder durch eine extern angelegte Trimmspannung. Der Trim-Pin wird vom internen DSP-Kern kontinuierlich überwacht, sodass eine dynamische Anpassung der Aus¬gangsspannung möglich ist. So kann z.B. die Versorgungsspannung für die Anwendung je nach Last- oder Standby-Status geändert werden, um den Gesamtstromverbrauch zu senken.
Es gibt zwei Möglichkeiten, die Ausgangsspannung einzustellen: über einen externen Widerstand oder durch eine extern angelegte Trimmspannung. Der Trim-Pin wird vom internen DSP-Kern kontinuierlich überwacht, sodass eine dynamische Anpassung der Aus¬gangsspannung möglich ist. So kann z.B. die Versorgungsspannung für die Anwendung je nach Last- oder Standby-Status geändert werden, um den Gesamtstromverbrauch zu senken.
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: Vout set
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: Vout set
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 Pin nicht angeschlossen ist. Aus Stabilitätsgründen reagiert die Ausgangsspannung auf eine Änderung der Vtrim-Spannung mit einer Steigung von etwa 100mV/ms. Daher ist zwar eine dynamische Spannungsanpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen möglich, aber die Reaktionszeit ist nicht schnell genug, um Funktionen wie die dynamische Verfolgung der Signalhüllkurvenspannung durchzuführen.
Würde die Anwendung hingegen in den Standby-Modus gehen und die Ausgangsspannung von z. B. 24V auf 12V reduziert, um den Stromverbrauch zu halbieren, würde die Standby- und Aufwachzeiten sehr kurz sein.
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 Pin nicht angeschlossen ist. Aus Stabilitätsgründen reagiert die Ausgangsspannung auf eine Änderung der Vtrim-Spannung mit einer Steigung von etwa 100mV/ms. Daher ist zwar eine dynamische Spannungsanpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen möglich, aber die Reaktionszeit ist nicht schnell genug, um Funktionen wie die dynamische Verfolgung der Signalhüllkurvenspannung durchzuführen.
Würde die Anwendung hingegen in den Standby-Modus gehen und die Ausgangsspannung von z. B. 24V auf 12V reduziert, um den Stromverbrauch zu halbieren, würde die Standby- und Aufwachzeiten sehr kurz sein.
3. 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 Wid¬erstand 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 Einschalt¬ströme 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 Wid¬erstand 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 Einschalt¬ströme 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: Iout DAC-Steuerung
Eine interne Spannungsreferenz zieht den Iset-Pin auf 3,3V hoch (Iout,set = 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: Iout DAC-Steuerung
Eine interne Spannungsreferenz zieht den Iset-Pin auf 3,3V hoch (Iout,set = 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.
Aktuelle Überwachung
Der RBBA3000-50 verfügt über einen Stromanteil-/Stromüberwachungspin mit Doppelfunktion.
Bei Einzelwandler-Anwendungen kann der Pin zur Überwachung der Ausgangslast verwendet werden. In diesem Fall entspricht die vom Wandler erzeugte Spannung dem Ausgangsstrom in einer linearen Beziehung.
Abb. 6: Imon
Diese nützliche Funktion macht einen externen Shunt-Widerstand zur Überwachung des Hochstroms überflüssig, wodurch die Nachteile des Leistungsverlusts durch den Shunt und dessen Schwankungen mit der Temperatur beseitigt werden. Die damit verbundenen Kosten für einen Hochstrom-Präzisions-Shunt-Widerstand, Verstärker und Stromspiegel entfallen ebenfalls.
Abb. 7: Stromüberwachung cct
Der Ishare-Ausgang kann auch mit einem ADC verwendet werden, um den RBBA3000-50 mit einem Mikrocontroller zu verbinden und die Last kontinuierlich zu überwachen.
Das folgende Beispiel zeigt eine ...
Bei Einzelwandler-Anwendungen kann der Pin zur Überwachung der Ausgangslast verwendet werden. In diesem Fall entspricht die vom Wandler erzeugte Spannung dem Ausgangsstrom in einer linearen Beziehung.
Abb. 6: Imon
Diese nützliche Funktion macht einen externen Shunt-Widerstand zur Überwachung des Hochstroms überflüssig, wodurch die Nachteile des Leistungsverlusts durch den Shunt und dessen Schwankungen mit der Temperatur beseitigt werden. Die damit verbundenen Kosten für einen Hochstrom-Präzisions-Shunt-Widerstand, Verstärker und Stromspiegel entfallen ebenfalls.
Abb. 7: Stromüberwachung cct
Der Ishare-Ausgang kann auch mit einem ADC verwendet werden, um den RBBA3000-50 mit einem Mikrocontroller zu verbinden und die Last kontinuierlich zu überwachen.
Das folgende Beispiel zeigt eine ...
4. Aktueller Anteil / Aktuelle Überwachung
Aktuelle Überwachung
Der RBBA3000-50 verfügt über einen Stromanteil-/Stromüberwachungspin mit Doppelfunktion.
Bei Einzelwandler-Anwendungen kann der Pin zur Überwachung der Ausgangslast verwendet werden. In diesem Fall entspricht die vom Wandler erzeugte Spannung dem Ausgangsstrom in einer linearen Beziehung.
Abb. 6: Imon
Diese nützliche Funktion macht einen externen Shunt-Widerstand zur Überwachung des Hochstroms überflüssig, wodurch die Nachteile des Leistungsverlusts durch den Shunt und dessen Schwankungen mit der Temperatur beseitigt werden. Die damit verbundenen Kosten für einen Hochstrom-Präzisions-Shunt-Widerstand, Verstärker und Stromspiegel entfallen ebenfalls.
Abb. 7: Stromüberwachung cct
Der Ishare-Ausgang kann auch mit einem ADC verwendet werden, um den RBBA3000-50 mit einem Mikrocontroller zu verbinden und die Last kontinuierlich zu überwachen.
Das folgende Beispiel zeigt eine ...
Bei Einzelwandler-Anwendungen kann der Pin zur Überwachung der Ausgangslast verwendet werden. In diesem Fall entspricht die vom Wandler erzeugte Spannung dem Ausgangsstrom in einer linearen Beziehung.
Abb. 6: Imon
Diese nützliche Funktion macht einen externen Shunt-Widerstand zur Überwachung des Hochstroms überflüssig, wodurch die Nachteile des Leistungsverlusts durch den Shunt und dessen Schwankungen mit der Temperatur beseitigt werden. Die damit verbundenen Kosten für einen Hochstrom-Präzisions-Shunt-Widerstand, Verstärker und Stromspiegel entfallen ebenfalls.
Abb. 7: Stromüberwachung cct
Der Ishare-Ausgang kann auch mit einem ADC verwendet werden, um den RBBA3000-50 mit einem Mikrocontroller zu verbinden und die Last kontinuierlich zu überwachen.
Das folgende Beispiel zeigt eine ...
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