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El avanzado empaquetado de energía en 3D permite la miniaturización de los convertidores CC/CC

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El convertidor CC/CC RxxCTExxS de RECOM con una potencia de hasta 1 W en un encapsulado SOIC-16

La conversión CC/CC en muchos productos modernos tiene que ver con la densidad de potencia: la cantidad de energía que puede procesarse en un espacio determinado para lograr la conversión del nivel de tensión y, a menudo, el aislamiento. Esto se ve especialmente en los productos de vanguardia del mundo del IoT y en los dispositivos médicos. El aumento de los niveles de eficiencia de los convertidores ha ayudado ciertamente a la miniaturización, y esto ha permitido que los productos evolucionen desde los voluminosos módulos fuera de la placa hasta los componentes montados en la PCB. Esto sitúa la conversión y la regulación en el lugar ideal junto a la carga, donde debe ser más precisa.

Sin embargo, los productos de montaje en placa disponibles han permanecido obstinadamente en los formatos y diseños mecánicos que se introdujeron en el mercado en el siglo pasado. Los convertidores han sido, en gran medida, «miniproductos finales» con una placa de circuito impreso interna, carcasa, encapsulado y clavijas, y sigue siendo habitual el costoso montaje manual de algunos componentes internos, especialmente los magnéticos. El producto final a menudo sólo está disponible en formato de orificio pasante, e incluso si es SMT, puede tener severas restricciones en el perfil de reflujo permitido, lo que hace que la pieza sea difícil de soldar a la placa base del usuario junto a otros componentes menos sensibles. En consecuencia, los ingenieros optan a veces por diseños discretos, que son más fáciles de manejar, pero ocupan más espacio en la placa y conllevan la carga de los costes de diseño, calificación, compra, almacenamiento, manipulación, montaje y pruebas.

Por ello, uno de los objetivos de los fabricantes y usuarios de convertidores ha sido realizar convertidores CC/CC en formato SMT que sean tan pequeños como otros componentes modernos. Deben ser de bajo coste y no requerir disposiciones especiales de disipación térmica ni una temperatura y duración de reflujo restrictivas. Si esto se consigue, un diseñador no pensaría más en utilizar un diseño discreto de CC/CC que en implementar un convertidor A-D con transistores discretos.

3D Power Packaging: pensar en una nueva dimensión

En el pasado, un diseñador de DC/DC podía empezar con una huella objetivo, una PCB interna un poco más pequeña, y luego llenarla con tantos componentes discretos como cupieran. Un nuevo enfoque consiste en pensar en tres dimensiones desde el principio, con lo que el fabricante RECOM llama «3D Power Packaging» o «3DPP». El concepto parte de la premisa de que el DC/DC debe utilizar la tecnología de fabricación para producir una pieza que se maneje y coloque como cualquier otra.

Su construcción interna debe utilizar la altura disponible y descartar el material innecesario. Por ejemplo, el material de las placas de circuito impreso no es más que un soporte que consume espacio para las pistas de cobre; ¿por qué no tener simplemente conexiones autoportantes dentro del encapsulado? De todos modos, un dispositivo SMT tiene un marco de cobre para formar las terminaciones externas, por lo que, internamente, los componentes pueden colocarse directamente sobre él, eliminando la necesidad de una placa de circuito impreso. Un gran ejemplo es el RECOM RPX-1.0, un regulador de conmutación que proporciona una salida de 1A, ajustable de 0,8 a 30V, a partir de una amplia entrada de 4-36V.

El dispositivo sólo mide 3 x 5 x 1,6 mm con terminaciones QFN. Internamente, la tecnología flip chip con técnicas avanzadas de gestión térmica aprovecha la alta eficiencia con la conmutación en MHz para dar una asombrosa densidad de potencia potencial de más de 1kW/cm3. La figura 1 muestra la construcción interna.

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Figura 1: Construcción interna del RECOM RPX-1.0 DC/DC

En toda la gama RECOM de DC/DC se utilizan otras técnicas de 3DPP, como la incrustación de la matriz en los sustratos. Esta técnica libera espacio para la colocación de otros componentes y permite utilizar una matriz de CI con capas de redistribución (RDL) metalizadas adicionales, lo que da lugar a un contacto directo con el cobre en las capas de la placa de circuito impreso para las conexiones sin soldadura, mejorando la fiabilidad y el rendimiento térmico.

El RECOM RPL-3.0 es un ejemplo de esta técnica: un regulador de conmutación de salida de 3 A de sólo 3 mm de tamaño y 1,45 mm de altura. Este estilo de construcción (Figura 2) no necesita sobremoldeo, ya que es inherentemente robusto, ahorrando costes y espacio, con la superficie del inductor formando el punto de recogida SMT. El rendimiento térmico también es excelente, con una conexión directa desde la matriz a través del sustrato y las terminaciones hasta la placa de circuito impreso del usuario, a lo que contribuye la alta eficiencia del convertidor, superior al 95%.

matriz integrada
Figura 2: Construcción del RECOM RPL-3.0 DC/DC con matriz integrada en el sustrato

Figura 2: Construcción del RECOM RPL-3.0 DC/DC con matriz integrada en el sustrato

La miniaturización y la construcción automatizada de los DC/DC tiene una ventaja adicional: los recorridos térmicos son más cortos para conseguir una disipación eficaz y una menor temperatura de la matriz, y las conexiones eléctricas también son cortas. Esto hace que los nodos de conmutación sean cerrados y los bucles compactos, lo que reduce la EMI. Junto con la conmutación en MHz, esto significa que los condensadores de entrada y salida pueden tener un valor mínimo, lo que contribuye a reducir el tamaño.

Los DC/DC están ahora disponibles en paquetes SOIC-16

Otro ejemplo de 3DPP ha dado lugar a un producto aislado que es realmente similar a un CI. La nueva serie RxxCTExxS de RECOM se presenta en un encapsulado SOIC-16 (ancho) moldeado de 10,3 mm x 7,7 mm que sólo tiene 2,65 mm de altura, ideal para aplicaciones con limitaciones de espacio. El producto (imagen principal del artículo), a diferencia de los ejemplos anteriores, cuenta con aislamiento galvánico. Las terminaciones en forma de ala de gaviota son extensiones de un leadframe interno con un CI de control y un transformador planar propio que se unen a él mediante cables.

Desde hace tiempo es un problema conseguir un aislamiento sólido en los convertidores CC/CC a medida que se reducen sus dimensiones. Las homologaciones de seguridad de las agencias también exigen unos niveles mínimos de aislamiento y una distancia de fuga y separación, tanto interna como externa, entre las clavijas. Sin embargo, el RxxCTExxS parte de la ventaja de que la disposición de ala de gaviota permite una distancia de fuga superior a 8 mm externamente. La nueva y rentable serie RxxCTExxS incluye piezas que consiguen un aislamiento de 3kVDC/1 minuto con clasificación de agencia IEC/UL/EN 62368-1 «Básico», por lo que pueden utilizarse como parte de un sistema de aislamiento de seguridad del producto.

Los diseñadores del producto tuvieron que adoptar un enfoque radicalmente nuevo en el embalaje del producto para poder lograr la funcionalidad y los altos índices de aislamiento. Un transformador toroidal tradicional no podía cumplir los requisitos de aislamiento y un núcleo E discreto con bobina o similar sería demasiado grande, por lo que la frecuencia de conmutación se elevó a 30 MHz, lo que permitió reducir mucho las vueltas del devanado y obtener un núcleo de transformador planar pequeño, al tiempo que se incorporaba un aislamiento sólido entre devanados para cumplir los requisitos de aislamiento.

Hay dos versiones de bajo coste con una salida regulada de 5V a 0,5W o 1W, con entrada de 5V, que se dirige al mercado de DC/DC para proporcionar aislamiento de tierra de 5V, inversión de voltaje y alimentación aislada para interfaces de datos (Figura 4). Los mercados a los que se dirigen son amplios, incluyendo el IoT, la industria, la medicina, la medición inteligente y, en general, donde se necesita una pieza fiable y robusta con amplios rangos de temperatura, de -40°C a 125°C de ambiente, con derating. A pesar de su tamaño compacto, las piezas tienen una baja capacitancia de aislamiento de alrededor de 7pF que es valiosa en aplicaciones médicas y también para alimentar las unidades de compuerta de lado alto para los interruptores de banda ancha con sus formas de onda dV/dt muy altas. El rendimiento de las emisiones EMI también es especialmente bueno.

interfaz de datos
Figura 4. El RECOM RxxCTExxS DC/DC alimentando una interfaz de datos aislada.

Figura 4: El RECOM RxxCTExxS DC/DC alimentando una interfaz de datos aislada

Tanto la versión de 0,5W como la de 1W no tienen requisitos de carga mínima, para aplicaciones con modos de espera de carga ligera, y a diferencia de muchas piezas de la competencia, se proporciona protección completa contra cortocircuitos, sobrecorriente y sobretemperatura.

También están disponibles versiones con 2 x MOPP de aislamiento médico

Los DC/DC RxxCTExxS de RECOM forman parte de su gama «Econoline», con prestaciones y características orientadas a aplicaciones de bajo coste. También hay disponibles versiones de mayor especificación que pueden utilizarse para un mayor nivel de aislamiento de grado médico, sin dejar de ser rentables. El R05CT05S se encuentra en el mismo encapsulado SOIC-16 y es una pieza de 0,5W con una entrada nominal de 5V. Las salidas seleccionables son de 3,3V o 5V, alternativamente 3,7V o 5,4V, para proporcionar tensiones de cabeza para reguladores de baja caída (LDO).

La especificación más destacada del producto para aplicaciones médicas es su capacidad de 2 x MOPP/250VAC continua según la norma IEC/EN 60601-1 con una tensión de prueba de 5kVAC. También tiene una capacitancia de acoplamiento de sólo 3,5pF, para una corriente de fuga insignificante en aplicaciones de 250VAC/50Hz. En entornos no médicos, los valores nominales son aún más impresionantes: aislamiento reforzado a una tensión de trabajo de 800 VAC según la norma IEC/EN/UL 62368-1. La temperatura de funcionamiento es de hasta 140°C con reducción de potencia, y la pieza cuenta con funciones de habilitación, sincronización y recorte junto con un bloqueo por subtensión, cortocircuito, sobrecorriente y protección por sobretemperatura.

La aplicación médica del RECOM R05CT05S DC/DC

Merece la pena analizar cómo se utilizan los DC/DC como el R05CT05S en aplicaciones médicas y el valor que pueden aportar. Los equipos electrónicos se utilizan cada vez más en diferentes entornos médicos y de atención sanitaria a domicilio, y los diseñadores de productos podrían estar familiarizados con las normas de seguridad eléctrica que deben cumplir: IEC 60601-1:2005 con sus documentos colaterales y variantes nacionales, como EN 60601-1:2006 en Europa y ANSI/AAMI ES-60601-1 en EE.UU.

Estas normas se centran en la protección contra las descargas eléctricas de alta tensión o de la corriente de fuga de la red de CA, y podría pensarse que sólo son relevantes para las normas los convertidores de CA/CC. Sin embargo, los convertidores CC/CC suelen formar parte del sistema de aislamiento de seguridad y, de hecho, pueden eliminar la necesidad de utilizar los AC/DC médicos de mayor calidad, cuando se especifican correctamente.

En primer lugar, revisaremos la terminología y los requisitos de seguridad médica: en las normas se hace referencia a las «medidas de protección» (MOP) en el entorno del operador y del paciente. Una MOP puede adoptar diferentes formas; tener una caja metálica con conexión a tierra segura y un fusible de red es una MOP.

Una línea de fuga o espacio libre prescrito puede ser una o dos MOP, dependiendo de la distancia de separación real. Del mismo modo, el material sólido puede proporcionar uno o dos MOP. En todos los casos, la distancia real necesaria depende de otros factores: la tensión del sistema, la categoría de sobretensión, el grado de contaminación del entorno y la altitud de funcionamiento. Los requisitos para la protección de los pacientes (MOPP) son más estrictos que para los operadores (MOOP).

En el caso de los equipos alimentados por CA, debe haber un mínimo de 2 x MOOPs o 2 x MOPPs de aislamiento de la línea de CA a la salida, dependiendo de si se espera que el equipo se utilice en un entorno de «operador» o de «paciente», respectivamente. Sin embargo, las salidas conectadas al paciente también deben estar aisladas de la tierra por un mínimo de 1 x MOPP, para cubrir la posibilidad de que el paciente pueda estar eléctricamente «vivo» desde otro equipo defectuoso y la corriente letal pueda entonces fluir a través del paciente a la tierra del equipo no defectuoso.

Muchos AC/DC no proporcionan este nivel de aislamiento de la salida a tierra o, como mucho, 1 x MOOP. Un convertidor CC/CC aislado adicional que proporcione energía a los circuitos de conexión del paciente puede ayudar en esta situación. Si cuenta con un aislamiento de grado médico adecuado, puede permitir el uso de un AC/DC con sólo 1 x MOOP de aislamiento de salida a tierra en una aplicación de conexión de pacientes (Figura 5). En comparación con un único AC/DC con 1 x MOPP a tierra, la combinación de un AC/DC más común con 1 x MOOP más un convertidor DC/DC médico de bajo coste puede ser una solución económica.

Aunque el DC/DC normalmente sólo tiene entradas y salidas de bajo voltaje, en esta aplicación, su clasificación de seguridad en términos de MOPs debe ser para el voltaje del «sistema», normalmente 250VAC. Hay que tener cuidado, ya que algunas piezas de la competencia que se anuncian como «2 x MOPP» son sólo para tensiones de sistema bajas, quizás 30VAC, lo que tiene poco valor en la aplicación.

alimentacion medica
Figura 5. Un escenario de alimentación médica que permite el máximo nivel de conexión con
el paciente con piezas económicas.

Figura 5: Un escenario de alimentación médica que permite el máximo nivel de conexión con el paciente con piezas económicas

En la figura 5 también se ilustra otro escenario en el que hay conexiones de entrada/salida de señales no especificadas (SIPP y/o SOPP), como puertos de comunicación con equipos, ya sean alimentados por CA o por batería. Debe haber 2 x MOPP entre las conexiones del paciente y las señales, en caso de que un fallo externo haga que las señales estén «vivas». De nuevo, un convertidor CC/CC adicional puede proporcionar el aislamiento adicional necesario.

La figura 5 muestra una fuente de alimentación de CA/CC de clase I, 2 x MOPP con entradas de señal del sistema no especificadas. Se incluye un convertidor DC/DC adicional de 2 x MOPP, que proporciona el aislamiento total necesario para las entradas de señal y permite utilizar el AC/DC de menor coste «clasificado por el operador» en una situación de conexión con el paciente. Es probable que la CA/CC por sí sola tenga una corriente de fuga demasiado alta para las aplicaciones de conexión de pacientes, pero, de nuevo, el convertidor CC/CC, con su baja capacitancia de aislamiento, la reduce a un máximo fácilmente aceptable. Por lo general, el convertidor CC/CC sólo tendrá que proporcionar una potencia baja para una interfaz de conexión de pacientes aislada de la señal y, por lo tanto, será relativamente pequeño y de bajo coste.

Los equipos alimentados por batería entran en la misma categoría de requerir un aislamiento 2 x MOPP entre las salidas de conexión del paciente y cualquier equipo no especificado que pudiera conectarse – un cargador de batería, por ejemplo, o una impresora a través de un cable USB. Una vez más, un convertidor DC/DC 2 x MOPP para alimentar los circuitos aislados de la interfaz de conexión del paciente es una solución.

Conclusión

Los convertidores CC/CC con un alto aislamiento certificado de grado médico pueden ser herramientas valiosas para lograr los índices de aislamiento general requeridos para las aplicaciones más sensibles, incluyendo el peor caso de flotación cardíaca (CF), la conexión de pacientes. Con una aplicación cuidadosa, se pueden diseñar sistemas con el RECOM R05CT05S, por ejemplo, para minimizar los costes sin comprometer la seguridad. Las avanzadas técnicas térmicas, de circuito y de empaquetado de potencia en 3D utilizadas en el DC/DC son las típicas de los últimos productos RECOM, continuando con el impulso de la empresa hacia convertidores DC/DC y AC /DC más pequeños, eficientes y rentables en todas las aplicaciones, incluidas las médicas.