eng
Выпуск #2/2016
В.Ануфриев
Малогабаритные модули питания и системы электропитания на их основе
Малогабаритные модули питания и системы электропитания на их основе
Просмотры: 2589
Рассмотрены особенности малогабаритных модулей питания зарубежного и отечественного производства, на основе которых можно создавать эффективные распределенные системы электропитания.
Теги: dc/dc-converter dc/dc-преобразователь distributed power supply system pol-module pol-модуль распределенная система электропитания
Е
ще 15–20 лет назад все цифровые микросхемы имели номинальное напряжение питания +5 В, а аналоговые, как правило, – ±15 В. Чтобы обеспечить питание всей системы, достаточно было несколько различных по мощности источников питания, которые размещались в отдельных корпусах, выполняли функции выпрямления, DC/DC-преобразования и передавали набор необходимых постоянных напряжений по отдельным шинам к соответствующим нагрузкам. Такая классическая архитектура электропитания называется централизованной – очень эффективное по стоимости решение, которое не требует применения дорогих печатных плат для преобразования напряжений и передачи их к нагрузке.
Однако централизованная система питания обладает существенными недостатками. Дело в том, что блок питания должен располагаться как можно ближе к нагрузке или использовать достаточно мощные шины питания для минимизации тепловых потерь. В то же время, с точки зрения безопасности и снижения электромагнитных помех его следует размещать рядом с источником переменного тока. На практике при использовании централизованной архитектуры электропитания выполнить эти требования бывает трудно.
Централизованные системы электропитания достаточно сложно масштабировать в случае изменения конфигурации системы. Помимо этого, чтобы обеспечить эффективный отвод тепла, в централизованной системе нужно использовать громоздкие радиаторы, что не гарантирует надежную защиту системы от перегрева.
Распределенные системы электропитания
По мере распространения низковольтных нагрузок и микросхем с разными номиналами напряжения питания предъявляются новые требования к архитектуре системы электропитания. Сегодня на печатной плате одновременно могут находиться микросхемы с рабочим напряжением питания от 0,6 до 5 В. При этом количество номиналов питания может доходить до шести-восьми, причем токи потребления некоторых микросхем могут достигать 10 А и более. При низких напряжениях питания и жестких допусках на его отклонение возникает необходимость расположения отдельных узлов питания непосредственно около нагрузки. Кроме того, часто возникает необходимость изменять напряжение питания в процессе работы устройства, например, питания ядра процессора.
Все это послужило предпосылкой к созданию концепции модульного построения источников питания и наступлению эры распределенных систем электропитания. В распределенных системах модули DC/DC-преобразователей размещаются на системных платах рядом с соответствующей нагрузкой. Появились так называемые локализованные к нагрузке (Point of Load – PoL) преобразователи. Появление высокопроизводительных процессоров стимулировало разработку неизолированных DC/DC-преобразователей класса niPoL (non-isolated PoL) для питания этих микросхем. К внедрению распределенных систем электропитания присоединились также производители аэрокосмического оборудования, что связано со стремлением этих компаний уменьшить массогабаритные характеристики своей продукции.
Один из лидеров на рынке PoL-модулей – компания Vicor – предлагает широкий спектр модулей питания и комплексные решения для создания системы электропитания бортовой аппаратуры летательных аппаратов.
Примером распределенной системы электропитания является архитектура с промежуточной шиной (Intermediate Bus Architecture – IBA), построенная на базе модулей компании Vicor (рис.1). Особенность этой архитектуры – наличие нестабилизированной промежуточной шины, по которой питание передается к удаленным нагрузкам. Промежуточный шинный преобразователь (Intermediate Bus Converter – IBC) предназначен только для гальванической развязки промежуточной шины от входных электрических цепей системы электропитания и преобразования уровня входного напряжения. Функцию стабилизации выходных напряжений выполняют неизолированные DC/DC-преобразователи класса niPoL, расположенные в непосредственной близости от подключенных к ним нагрузок.
Еще одна разновидность распределенной системы электропитания – система питания удаленных интеллектуальных датчиков (рис.2). Основные особенности питания удаленных датчиков: малая потребляемая мощность (часто менее 1 Вт), высокий уровень кондуктивных помех от силовой аппаратуры, малый набор выходных напряжений, высокие требования по наработке на отказ (отсутствие возможности ремонта устройств и низкая степень резервирования). Современные удаленные датчики являются сложными интеллектуальными устройствами, способными выполнять первичную обработку сигнала и обладающими широким набором интерфейсов. Это налагает повышенные требования к системе питания датчиков, в частности, к модулю питания системы "датчик – микроконтроллер – интерфейс", что позволяет выделить микросхемы и модули питания датчиков в отдельную группу.
Кроме специализированных компаний по производству модулей питания, к разработке PoL-модулей в последнее время подключились поставщики полупроводников, такие как Linear Technology, Texas Instruments и др. В силу особенностей архитектуры, используемых номиналов напряжения питания, выходных токов, рабочих частот проектирование PoL-модулей неразрывно связано с разработкой специализированных микросхем для их комплектации. Кроме того, из-за технологических особенностей сборки модулей производители и разработчики микросхем и силовых полупроводниковых приборов оказались более подготовленными к выпуску подобной продукции, чем компании, традиционно представленные на рынке производства модулей питания.
Малогабаритные модули питания
Ведущие мировые производители малогабаритных модулей питания – MeanWell, Vicor, Aimtec, Texas Instruments, Linear Technology, TDK-Lambda, Traco Power и др. – выпускают широкую номенклатуру изделий, которая превышает несколько тысяч наименований и продолжает расти (рис.3). Модули питания выпускаются в самых разных исполнениях: в корпусе для монтажа с шариковыми выводами, в корпусе с планарными контактными площадками (могут быть покрыты припоем и флюсом для защиты припоя), в корпусе с металлизированными полуотверстиями по периметру, в корпусе с планарными выводами и выводами для монтажа в отверстия, а также в бескорпусном исполнении с заливкой компаундом.
По мере расширения номенклатуры малогабаритных модулей питания, с одной стороны, и постоянно возрастающими требованиями к системам питания, с другой (в том числе по срокам проектирования), появилась потребность в их унификации. Производители модулей питания стали разрабатывать комплекты для построения системы электропитания.
Например, компания Vicor предлагает 4–5-уровневую систему электропитания от сети переменного тока напряжением 85–264 В, которая содержит на уровне сети помехоподавляющие фильтры, модули коррекции коэффициента мощности; на промежуточном уровне – изолирующий нерегулируемый преобразователь в напряжение распределительной сети (48–54 В); на уровне модулей и плат – изолирующие фильтры, понижающие стабилизированные преобразователи и DC/DC-преобразователи класса PoL.
Примером сверхмалогабаритного модуля питания для маломощной нагрузки служит микромодуль LTM8020 от Linear Technology, который обеспечивает выходную мощность до 1 Вт при габаритах 6,25 Ч 6,25 Ч 2,32 мм. Микромодуль имеет рабочий диапазон входных напряжений от 4 до 36 В, и для работы необходимо всего три внешних компонента типоразмером не более 0603. На основе этого модуля можно создать источник питания объемом менее 1 см 3, который удовлетворял бы требованиям, предъявляемым к малогабаритному бортовому электрооборудованию.
Если говорить об отечественных компаниях, то к крупнейшим российским производителям модулей питания относятся "Александер Электрик Дон" (Воронеж), "Александер Электрик Источники питания" (Москва), "Ирбис" (Москва), "Электроинвест" (Москва) и "ЭлТом" (Томилино). Наиболее широкий ассортимент продукции для создания распределенных систем электропитания предлагает группа компаний "Электроинвест". Общий объем рынка модулей питания от российских производителей в 2014 году превысил 7 млрд. руб., из них на долю малогабаритных модулей приходится более 1,8 млрд. руб. (рис.4).
В то же время серийное производство модулей класса PoL и niPoL и модулей питания для автономных устройств с потребляемой мощностью менее 2 Вт в России отсутствует. Основную долю модулей питания по номенклатуре и количеству (до 60–70%) составляют устройства с выходной мощностью до 20 Вт и первичным напряжением не более 27 В, то есть основное первичное питание обеспечивает бортовая сеть напряжением 27 В.
Специализированных микросхем или микромодулей для защиты от перенапряжения, переполюсовки и импульсных помех электронных модулей с питанием по постоянному току от бортовой сети с проходной мощностью от 1 до 20 Вт российские компании так же не выпускают. Разработчикам конечной продукции приходится выполнять эти узлы или на импортной элементной базе или на дискретных элементах.
В таких условиях основная задача российских производителей – выйти на рынок маломощных модулей питания класса PoL, чтобы решить проблему замещения импорта в растущих секторах рынка.
У АО "ПКК Миландр" есть все возможности для успешной разработки микросхем и модулей питания класса PoL, а именно: необходимый опыт, метрологическая база, а также возможность сертификации применяемых пассивных элементов импортного производства. В АО "ПКК Миландр" в 2015 году были созданы экспериментальные образцы малогабаритных модулей питания класса PoL (рис.5), сборка которых производилась методом заливки компаундом.
Полученные образцы обладают следующими характеристиками:
• напряжение питания от 3 до 6 В;
• выходное напряжение от 0,8 до 3,3 В;
• выходной ток до 2 А;
• суммарная нестабильность выходного напряжения ±5%;
• габаритные размеры 14 Ч 10 Ч 4 мм.
В 2016 году планируется выпуск опытной партии PoL-модулей с выходными токами 2, 4 и 8 А для организации внутриплатного питания DSP-микропроцессоров серии 1967 и микросхем других серий, выпускаемых АО "ПКК Миландр". Освоение серийного производства модулей намечено на 2017/18 год.
ще 15–20 лет назад все цифровые микросхемы имели номинальное напряжение питания +5 В, а аналоговые, как правило, – ±15 В. Чтобы обеспечить питание всей системы, достаточно было несколько различных по мощности источников питания, которые размещались в отдельных корпусах, выполняли функции выпрямления, DC/DC-преобразования и передавали набор необходимых постоянных напряжений по отдельным шинам к соответствующим нагрузкам. Такая классическая архитектура электропитания называется централизованной – очень эффективное по стоимости решение, которое не требует применения дорогих печатных плат для преобразования напряжений и передачи их к нагрузке.
Однако централизованная система питания обладает существенными недостатками. Дело в том, что блок питания должен располагаться как можно ближе к нагрузке или использовать достаточно мощные шины питания для минимизации тепловых потерь. В то же время, с точки зрения безопасности и снижения электромагнитных помех его следует размещать рядом с источником переменного тока. На практике при использовании централизованной архитектуры электропитания выполнить эти требования бывает трудно.
Централизованные системы электропитания достаточно сложно масштабировать в случае изменения конфигурации системы. Помимо этого, чтобы обеспечить эффективный отвод тепла, в централизованной системе нужно использовать громоздкие радиаторы, что не гарантирует надежную защиту системы от перегрева.
Распределенные системы электропитания
По мере распространения низковольтных нагрузок и микросхем с разными номиналами напряжения питания предъявляются новые требования к архитектуре системы электропитания. Сегодня на печатной плате одновременно могут находиться микросхемы с рабочим напряжением питания от 0,6 до 5 В. При этом количество номиналов питания может доходить до шести-восьми, причем токи потребления некоторых микросхем могут достигать 10 А и более. При низких напряжениях питания и жестких допусках на его отклонение возникает необходимость расположения отдельных узлов питания непосредственно около нагрузки. Кроме того, часто возникает необходимость изменять напряжение питания в процессе работы устройства, например, питания ядра процессора.
Все это послужило предпосылкой к созданию концепции модульного построения источников питания и наступлению эры распределенных систем электропитания. В распределенных системах модули DC/DC-преобразователей размещаются на системных платах рядом с соответствующей нагрузкой. Появились так называемые локализованные к нагрузке (Point of Load – PoL) преобразователи. Появление высокопроизводительных процессоров стимулировало разработку неизолированных DC/DC-преобразователей класса niPoL (non-isolated PoL) для питания этих микросхем. К внедрению распределенных систем электропитания присоединились также производители аэрокосмического оборудования, что связано со стремлением этих компаний уменьшить массогабаритные характеристики своей продукции.
Один из лидеров на рынке PoL-модулей – компания Vicor – предлагает широкий спектр модулей питания и комплексные решения для создания системы электропитания бортовой аппаратуры летательных аппаратов.
Примером распределенной системы электропитания является архитектура с промежуточной шиной (Intermediate Bus Architecture – IBA), построенная на базе модулей компании Vicor (рис.1). Особенность этой архитектуры – наличие нестабилизированной промежуточной шины, по которой питание передается к удаленным нагрузкам. Промежуточный шинный преобразователь (Intermediate Bus Converter – IBC) предназначен только для гальванической развязки промежуточной шины от входных электрических цепей системы электропитания и преобразования уровня входного напряжения. Функцию стабилизации выходных напряжений выполняют неизолированные DC/DC-преобразователи класса niPoL, расположенные в непосредственной близости от подключенных к ним нагрузок.
Еще одна разновидность распределенной системы электропитания – система питания удаленных интеллектуальных датчиков (рис.2). Основные особенности питания удаленных датчиков: малая потребляемая мощность (часто менее 1 Вт), высокий уровень кондуктивных помех от силовой аппаратуры, малый набор выходных напряжений, высокие требования по наработке на отказ (отсутствие возможности ремонта устройств и низкая степень резервирования). Современные удаленные датчики являются сложными интеллектуальными устройствами, способными выполнять первичную обработку сигнала и обладающими широким набором интерфейсов. Это налагает повышенные требования к системе питания датчиков, в частности, к модулю питания системы "датчик – микроконтроллер – интерфейс", что позволяет выделить микросхемы и модули питания датчиков в отдельную группу.
Кроме специализированных компаний по производству модулей питания, к разработке PoL-модулей в последнее время подключились поставщики полупроводников, такие как Linear Technology, Texas Instruments и др. В силу особенностей архитектуры, используемых номиналов напряжения питания, выходных токов, рабочих частот проектирование PoL-модулей неразрывно связано с разработкой специализированных микросхем для их комплектации. Кроме того, из-за технологических особенностей сборки модулей производители и разработчики микросхем и силовых полупроводниковых приборов оказались более подготовленными к выпуску подобной продукции, чем компании, традиционно представленные на рынке производства модулей питания.
Малогабаритные модули питания
Ведущие мировые производители малогабаритных модулей питания – MeanWell, Vicor, Aimtec, Texas Instruments, Linear Technology, TDK-Lambda, Traco Power и др. – выпускают широкую номенклатуру изделий, которая превышает несколько тысяч наименований и продолжает расти (рис.3). Модули питания выпускаются в самых разных исполнениях: в корпусе для монтажа с шариковыми выводами, в корпусе с планарными контактными площадками (могут быть покрыты припоем и флюсом для защиты припоя), в корпусе с металлизированными полуотверстиями по периметру, в корпусе с планарными выводами и выводами для монтажа в отверстия, а также в бескорпусном исполнении с заливкой компаундом.
По мере расширения номенклатуры малогабаритных модулей питания, с одной стороны, и постоянно возрастающими требованиями к системам питания, с другой (в том числе по срокам проектирования), появилась потребность в их унификации. Производители модулей питания стали разрабатывать комплекты для построения системы электропитания.
Например, компания Vicor предлагает 4–5-уровневую систему электропитания от сети переменного тока напряжением 85–264 В, которая содержит на уровне сети помехоподавляющие фильтры, модули коррекции коэффициента мощности; на промежуточном уровне – изолирующий нерегулируемый преобразователь в напряжение распределительной сети (48–54 В); на уровне модулей и плат – изолирующие фильтры, понижающие стабилизированные преобразователи и DC/DC-преобразователи класса PoL.
Примером сверхмалогабаритного модуля питания для маломощной нагрузки служит микромодуль LTM8020 от Linear Technology, который обеспечивает выходную мощность до 1 Вт при габаритах 6,25 Ч 6,25 Ч 2,32 мм. Микромодуль имеет рабочий диапазон входных напряжений от 4 до 36 В, и для работы необходимо всего три внешних компонента типоразмером не более 0603. На основе этого модуля можно создать источник питания объемом менее 1 см 3, который удовлетворял бы требованиям, предъявляемым к малогабаритному бортовому электрооборудованию.
Если говорить об отечественных компаниях, то к крупнейшим российским производителям модулей питания относятся "Александер Электрик Дон" (Воронеж), "Александер Электрик Источники питания" (Москва), "Ирбис" (Москва), "Электроинвест" (Москва) и "ЭлТом" (Томилино). Наиболее широкий ассортимент продукции для создания распределенных систем электропитания предлагает группа компаний "Электроинвест". Общий объем рынка модулей питания от российских производителей в 2014 году превысил 7 млрд. руб., из них на долю малогабаритных модулей приходится более 1,8 млрд. руб. (рис.4).
В то же время серийное производство модулей класса PoL и niPoL и модулей питания для автономных устройств с потребляемой мощностью менее 2 Вт в России отсутствует. Основную долю модулей питания по номенклатуре и количеству (до 60–70%) составляют устройства с выходной мощностью до 20 Вт и первичным напряжением не более 27 В, то есть основное первичное питание обеспечивает бортовая сеть напряжением 27 В.
Специализированных микросхем или микромодулей для защиты от перенапряжения, переполюсовки и импульсных помех электронных модулей с питанием по постоянному току от бортовой сети с проходной мощностью от 1 до 20 Вт российские компании так же не выпускают. Разработчикам конечной продукции приходится выполнять эти узлы или на импортной элементной базе или на дискретных элементах.
В таких условиях основная задача российских производителей – выйти на рынок маломощных модулей питания класса PoL, чтобы решить проблему замещения импорта в растущих секторах рынка.
У АО "ПКК Миландр" есть все возможности для успешной разработки микросхем и модулей питания класса PoL, а именно: необходимый опыт, метрологическая база, а также возможность сертификации применяемых пассивных элементов импортного производства. В АО "ПКК Миландр" в 2015 году были созданы экспериментальные образцы малогабаритных модулей питания класса PoL (рис.5), сборка которых производилась методом заливки компаундом.
Полученные образцы обладают следующими характеристиками:
• напряжение питания от 3 до 6 В;
• выходное напряжение от 0,8 до 3,3 В;
• выходной ток до 2 А;
• суммарная нестабильность выходного напряжения ±5%;
• габаритные размеры 14 Ч 10 Ч 4 мм.
В 2016 году планируется выпуск опытной партии PoL-модулей с выходными токами 2, 4 и 8 А для организации внутриплатного питания DSP-микропроцессоров серии 1967 и микросхем других серий, выпускаемых АО "ПКК Миландр". Освоение серийного производства модулей намечено на 2017/18 год.
Отзывы читателей
