eng
Выпуск #5/2017
Е.Рабинович
Новые DС-DC преобразователи от TDK-Lambda: безотказное звено для надежных систем
Новые DС-DC преобразователи от TDK-Lambda: безотказное звено для надежных систем
Просмотры: 2093
Рассматриваются характеристики DC-DC преобразователей линейки HQA компании TDK-Lambda, приводится рекомендуемая схема их подключения, описываются решения, обеспечивающие надежность работы данных модулей.
УДК 621.314.1
ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.165.5.120.124
УДК 621.314.1
ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.165.5.120.124
Теги: dc-dc convertor dc-dc преобразователь forward convertor pulse-width modulation изолированный прямоходовой конвертор широтно-импульсная модуляция
Так как основных производителей таких устройств немного, специалисты-разработчики часто сталкиваются со сложностями при подборе необходимой базы комплектующих. Мировой лидер в производстве промышленных источников питания – компания TDK-Lambda – поставил перед собой цель облегчить эту задачу и расширил ассортимент высоконадежных DC-DC преобразователей вышедшей в 2016 году линейкой HQA, о которой вы подробнее узнаете из этой статьи.
Представленный на рис.1 внешний вид конверторов вполне типичен для модулей формата Quarter Brick, ориентированных на применения типа MIL-COTS.
Как показано на рисунке, существуют два варианта корпусов, которые отличаются профилем основания. Это дает возможность разработчикам найти наиболее приемлемый и оптимальный способ крепления теплоотводящего основания к корпусу или радиатору и тем самым обеспечить хороший тепловой контакт. Опция с фланцевой подложкой имеет габариты 60,6 Ч 55,9 Ч 12,7 мм, модели без фланцев соответствуют стандартному формату Quarter Brick с размерами 60,6 Ч 39 Ч 12,7 мм.
Корпус прибора имеет герметичную комбинированную 2-компонентную заливку: бульшая часть пространства заполняется силиконсодержащим компаундом с высокими изоляционными и вибростойкими свойствами. В пространство между компонентами, подверженными повышенному нагреву, и алюминиевой платформой добавляется материал, имеющий почти в 10 раз более низкое тепловое сопротивление. Эта трудоемкая и недешевая производственная операция – вынужденная мера для обеспечения более сбалансированного и равномерного теплообмена и дополнительной защиты от перегрева.
На данный момент линейка HQA представлена модулями с выходными напряжениями 12, 24, 28 и 48 В и обеспечивающими выходную мощность 120 Вт. Рабочий диапазон входного напряжения – от 10 до 40 В, для 48-вольтовых моделей – от 18 до 40 В. При этом модули выдерживают кратковременное перенапряжение до 50 В (в течение 1 с). Набор стандартных функций включает дистанционное включение-выключение, подстройку выходного напряжения с помощью внешнего резистора и функцию удаленной обратной связи для моделей 12 и 24 В. Дистанционное включение имеет логику отрицательного типа: при сигнале низкого уровня (на выводе "On/Off" относительно вывода "–V") или при закороченных выводах модуль находится во включенном состоянии, а при высоком уровне сигнала или открытых выводах – соответственно, выключается. Подстройка напряжения осуществляется внешним резистором или потенциометром, которые подключаются между выводами "Trim" и одним из выводов "Sense".
С рекомендуемой схемой подключения можно ознакомиться на рис.2, а номера выводов и их назначение описаны в табл.1. На рисунке показан один из вариантов соединения модуля. Необходимо понимать, что такие компоненты, как С1, L1, C3, C4, являются опциональными и их необходимость зависит от жесткости требований по электромагнитной совместимости. А включение в схему PCвкл и Rподстр зависит от того, будут ли задействованы вышеупомянутые функции дистанционного включения и подстройки выходного напряжения.
Конверторы имеют также набор функций защиты: отключение выхода при превышении максимального напряжения, ограничение выходного тока в условиях превышения нагрузки или короткого замыкания, а также отключение при превышении допустимой температуры на критических силовых компонентах. При этом все виды защит обладают логикой самовосстановления, то есть устройство возвращается к нормальной работе при устранении источника нештатного состояния.
Блок-схема устройства приведена на рис.3. В качестве топологии для модулей выбрана изолированная прямоходовая схема, хорошо известная под названием Forward Convertor, но в данном случае разработчиками добавлена активная схема перезаряда трансформатора (active clamp transformer reset). Такая схема позволяет значительно (почти в 2 раза) уменьшить максимальное напряжение на главном транзисторе (Q1) (в момент его закрытия) и таким образом сделать переключение более "мягким". Основные элементы данной схемы – это конденсатор Сcl и дополнительный транзистор Qcl, который коммутирует цепь, позволяя сбрасывать накопленную энергию намагничивания трансформатора и создавая обратное направление магнитного потока. Как результат, минимизируется вероятность работы трансформатора TR1 в режиме насыщения, уменьшается стресс на главном ключе Q1, а главное – увеличивается общий КПД преобразователя.
Для увеличения надежности в подобных решениях иногда используется ограничение максимальной скважности импульсов для того, чтобы главный трансформатор работал в своей рабочей зоне, не входя в уже упомянутый режим насыщения. В схеме HQA такая защита обеспечивается с помощью непосредственного измерения тока намагничивания в цепи Qcl. Такое решение позволяет избежать нежелательных последствий в обеспечении стабильности работы обратной связи, которые возникают при ограничении регулирования ШИМ-сигнала. Еще одной мерой повышения надежности является сигнал о нагреве сердечника и транзистора Q1, который поступает от отдельного термодатчика и сравнивается микроконтроллером с его допустимыми значениями.
Обратная связь и формирование сигнала ШИМ (PWM), в отличие от подавляющего большинства импульсных преобразователей, обеспечиваются аналоговым микроконтроллером во вторичной части схемы. В первичную часть сигнал проходит через миниатюрный разделительный трансформатор TRcont, который также позволяет избежать применения традиционно используемых оптронных диодов. Это повышает надежность и стабильность работы устройства, особенно при различных температурных и радиационных условиях.
Эффективность схемы также повышена за счет замены выпрямительных силовых элементов с пассивного на активный тип, при этом все активные переключатели управляются аналоговыми микроконтроллерами, расположенными в первичной и вторичной частях схемы, без использования относительно сложных внешних схем драйверов, что экономит внутреннее пространство, упрощает архитектуру и минимизирует временные задержки. При этом для увеличения надежности монтажа и эксплуатации модулей использованы микросхемы поверхностного монтажа стандарта TSSOP (Thin Shrink Small Outline Package) вместо популярного на сегодняшний день и широко используемого корпуса QFN (Quad-Flat No-Leads).
Процесс производственных испытаний изделий HQA направлен на выявление преждевременных отказов и качества сборки и делится на два типа: стандартная программа (категория "S") и программа тестирования повышенной жесткости (категория "M").
При стандартной программе после прохождения визуальной инспекции каждый модуль проходит высоковольтный тест на прочность изоляции, при котором на его выводы со стороны входа и выхода подается 2 250 В постоянного тока.
После этого во время функционального теста при выходной мощности 50 Вт и входном напряжении 40 В в температурной камере создаются перепады от 18 до 60 °С со скоростью изменения от 15 до 30 °С/мин и 18-минутной паузой в крайних точках.
Тренировочный цикл проходит при заданной температуре основания в 100 °С в течение 24 ч. Нагрузка и интенсивность охлаждения при этом могут меняться и используются как факторы управляющего воздействия.
Проверка на рабочий температурный диапазон выполняется с тем, чтобы убедиться в надежности запуска преобразователей в крайних точках диапазона. С помощью термопары, закрепленной на теплоотводящей подложке в точке измерения температуры, устанавливают значение –40 °С, затем +115 °С и подают входное питание в нескольких точках диапазона напряжений.
Программа категории "M" отличается тем, что тренировочный цикл длится 96 ч вместо 24, функциональный тест включает перепады температур начиная от –20 °С вместо +18 °С, а запуск при температурных испытаниях происходит при –55 °С вместо –40 °С. Также данная программа включает дополнительный температурный тест во выключенном состоянии. При этом каждый модуль помещается в камеру, и выполняется 10 циклов изменения температуры от –65 до 100 °С со скоростью 30 °С/мин и 30-минутной паузой в крайних точках.
В соответствии с программой испытаний модули HQA120 можно заказать в двух опциональных исполнениях: "S-Grade" и "M-Grade" (соответственно литеры "М" и "S" в обозначении модели), как показано в табл.2.
Отличие данных исполнений заключается не только в программе заводских испытаний, но и в использовании компонентов, чувствительных к запуску при низких температурах. В исполнении "M" используются только микросхемы, одобренные производителем для запуска при температуре –55 °С.
Серия также прошла испытания по влажности и вибростойкости в соответствии с MIL-STD‑202G (метод 201A и 213B), удовлетворяет требованиям директивы RoHS2, сертифицирована по стандарту IEC/EN/UL/CSA 60950-1 и имеет маркировку CE в соответствии с директивами ЕС по низковольтному оборудованию. КПД каждой модели зависит от выходного тока и значения входного напряжения и имеет среднее значение 90%.
Благодаря своим характеристикам и проверенной испытаниями надежности модули HQA могут легко и успешно встраиваться в серийно выпускаемое промышленное оборудование, транспортные системы, устройства связи, а также в комплексы оборонного назначения. Конечно, для соответствия таких систем международным или национальным стандартам безопасности при трассировке плат необходимо выполнять требования к минимальным расстояниям утечки (creepage) и минимальным изоляционным воздушным промежуткам (clearance). Стоит добавить, что благодаря постоянной частоте коммутации модули имеют предсказуемый частотный спектр входных шумов и не требуют большого количества внешних компонентов. С более подробными характеристиками и результатами измерений можно ознакомиться в полной спецификации, доступной на странице tdk-lambda.ru в разделе продукции DС-DC.
Представленный на рис.1 внешний вид конверторов вполне типичен для модулей формата Quarter Brick, ориентированных на применения типа MIL-COTS.
Как показано на рисунке, существуют два варианта корпусов, которые отличаются профилем основания. Это дает возможность разработчикам найти наиболее приемлемый и оптимальный способ крепления теплоотводящего основания к корпусу или радиатору и тем самым обеспечить хороший тепловой контакт. Опция с фланцевой подложкой имеет габариты 60,6 Ч 55,9 Ч 12,7 мм, модели без фланцев соответствуют стандартному формату Quarter Brick с размерами 60,6 Ч 39 Ч 12,7 мм.
Корпус прибора имеет герметичную комбинированную 2-компонентную заливку: бульшая часть пространства заполняется силиконсодержащим компаундом с высокими изоляционными и вибростойкими свойствами. В пространство между компонентами, подверженными повышенному нагреву, и алюминиевой платформой добавляется материал, имеющий почти в 10 раз более низкое тепловое сопротивление. Эта трудоемкая и недешевая производственная операция – вынужденная мера для обеспечения более сбалансированного и равномерного теплообмена и дополнительной защиты от перегрева.
На данный момент линейка HQA представлена модулями с выходными напряжениями 12, 24, 28 и 48 В и обеспечивающими выходную мощность 120 Вт. Рабочий диапазон входного напряжения – от 10 до 40 В, для 48-вольтовых моделей – от 18 до 40 В. При этом модули выдерживают кратковременное перенапряжение до 50 В (в течение 1 с). Набор стандартных функций включает дистанционное включение-выключение, подстройку выходного напряжения с помощью внешнего резистора и функцию удаленной обратной связи для моделей 12 и 24 В. Дистанционное включение имеет логику отрицательного типа: при сигнале низкого уровня (на выводе "On/Off" относительно вывода "–V") или при закороченных выводах модуль находится во включенном состоянии, а при высоком уровне сигнала или открытых выводах – соответственно, выключается. Подстройка напряжения осуществляется внешним резистором или потенциометром, которые подключаются между выводами "Trim" и одним из выводов "Sense".
С рекомендуемой схемой подключения можно ознакомиться на рис.2, а номера выводов и их назначение описаны в табл.1. На рисунке показан один из вариантов соединения модуля. Необходимо понимать, что такие компоненты, как С1, L1, C3, C4, являются опциональными и их необходимость зависит от жесткости требований по электромагнитной совместимости. А включение в схему PCвкл и Rподстр зависит от того, будут ли задействованы вышеупомянутые функции дистанционного включения и подстройки выходного напряжения.
Конверторы имеют также набор функций защиты: отключение выхода при превышении максимального напряжения, ограничение выходного тока в условиях превышения нагрузки или короткого замыкания, а также отключение при превышении допустимой температуры на критических силовых компонентах. При этом все виды защит обладают логикой самовосстановления, то есть устройство возвращается к нормальной работе при устранении источника нештатного состояния.
Блок-схема устройства приведена на рис.3. В качестве топологии для модулей выбрана изолированная прямоходовая схема, хорошо известная под названием Forward Convertor, но в данном случае разработчиками добавлена активная схема перезаряда трансформатора (active clamp transformer reset). Такая схема позволяет значительно (почти в 2 раза) уменьшить максимальное напряжение на главном транзисторе (Q1) (в момент его закрытия) и таким образом сделать переключение более "мягким". Основные элементы данной схемы – это конденсатор Сcl и дополнительный транзистор Qcl, который коммутирует цепь, позволяя сбрасывать накопленную энергию намагничивания трансформатора и создавая обратное направление магнитного потока. Как результат, минимизируется вероятность работы трансформатора TR1 в режиме насыщения, уменьшается стресс на главном ключе Q1, а главное – увеличивается общий КПД преобразователя.
Для увеличения надежности в подобных решениях иногда используется ограничение максимальной скважности импульсов для того, чтобы главный трансформатор работал в своей рабочей зоне, не входя в уже упомянутый режим насыщения. В схеме HQA такая защита обеспечивается с помощью непосредственного измерения тока намагничивания в цепи Qcl. Такое решение позволяет избежать нежелательных последствий в обеспечении стабильности работы обратной связи, которые возникают при ограничении регулирования ШИМ-сигнала. Еще одной мерой повышения надежности является сигнал о нагреве сердечника и транзистора Q1, который поступает от отдельного термодатчика и сравнивается микроконтроллером с его допустимыми значениями.
Обратная связь и формирование сигнала ШИМ (PWM), в отличие от подавляющего большинства импульсных преобразователей, обеспечиваются аналоговым микроконтроллером во вторичной части схемы. В первичную часть сигнал проходит через миниатюрный разделительный трансформатор TRcont, который также позволяет избежать применения традиционно используемых оптронных диодов. Это повышает надежность и стабильность работы устройства, особенно при различных температурных и радиационных условиях.
Эффективность схемы также повышена за счет замены выпрямительных силовых элементов с пассивного на активный тип, при этом все активные переключатели управляются аналоговыми микроконтроллерами, расположенными в первичной и вторичной частях схемы, без использования относительно сложных внешних схем драйверов, что экономит внутреннее пространство, упрощает архитектуру и минимизирует временные задержки. При этом для увеличения надежности монтажа и эксплуатации модулей использованы микросхемы поверхностного монтажа стандарта TSSOP (Thin Shrink Small Outline Package) вместо популярного на сегодняшний день и широко используемого корпуса QFN (Quad-Flat No-Leads).
Процесс производственных испытаний изделий HQA направлен на выявление преждевременных отказов и качества сборки и делится на два типа: стандартная программа (категория "S") и программа тестирования повышенной жесткости (категория "M").
При стандартной программе после прохождения визуальной инспекции каждый модуль проходит высоковольтный тест на прочность изоляции, при котором на его выводы со стороны входа и выхода подается 2 250 В постоянного тока.
После этого во время функционального теста при выходной мощности 50 Вт и входном напряжении 40 В в температурной камере создаются перепады от 18 до 60 °С со скоростью изменения от 15 до 30 °С/мин и 18-минутной паузой в крайних точках.
Тренировочный цикл проходит при заданной температуре основания в 100 °С в течение 24 ч. Нагрузка и интенсивность охлаждения при этом могут меняться и используются как факторы управляющего воздействия.
Проверка на рабочий температурный диапазон выполняется с тем, чтобы убедиться в надежности запуска преобразователей в крайних точках диапазона. С помощью термопары, закрепленной на теплоотводящей подложке в точке измерения температуры, устанавливают значение –40 °С, затем +115 °С и подают входное питание в нескольких точках диапазона напряжений.
Программа категории "M" отличается тем, что тренировочный цикл длится 96 ч вместо 24, функциональный тест включает перепады температур начиная от –20 °С вместо +18 °С, а запуск при температурных испытаниях происходит при –55 °С вместо –40 °С. Также данная программа включает дополнительный температурный тест во выключенном состоянии. При этом каждый модуль помещается в камеру, и выполняется 10 циклов изменения температуры от –65 до 100 °С со скоростью 30 °С/мин и 30-минутной паузой в крайних точках.
В соответствии с программой испытаний модули HQA120 можно заказать в двух опциональных исполнениях: "S-Grade" и "M-Grade" (соответственно литеры "М" и "S" в обозначении модели), как показано в табл.2.
Отличие данных исполнений заключается не только в программе заводских испытаний, но и в использовании компонентов, чувствительных к запуску при низких температурах. В исполнении "M" используются только микросхемы, одобренные производителем для запуска при температуре –55 °С.
Серия также прошла испытания по влажности и вибростойкости в соответствии с MIL-STD‑202G (метод 201A и 213B), удовлетворяет требованиям директивы RoHS2, сертифицирована по стандарту IEC/EN/UL/CSA 60950-1 и имеет маркировку CE в соответствии с директивами ЕС по низковольтному оборудованию. КПД каждой модели зависит от выходного тока и значения входного напряжения и имеет среднее значение 90%.
Благодаря своим характеристикам и проверенной испытаниями надежности модули HQA могут легко и успешно встраиваться в серийно выпускаемое промышленное оборудование, транспортные системы, устройства связи, а также в комплексы оборонного назначения. Конечно, для соответствия таких систем международным или национальным стандартам безопасности при трассировке плат необходимо выполнять требования к минимальным расстояниям утечки (creepage) и минимальным изоляционным воздушным промежуткам (clearance). Стоит добавить, что благодаря постоянной частоте коммутации модули имеют предсказуемый частотный спектр входных шумов и не требуют большого количества внешних компонентов. С более подробными характеристиками и результатами измерений можно ознакомиться в полной спецификации, доступной на странице tdk-lambda.ru в разделе продукции DС-DC.
Отзывы читателей
