eng
Выпуск #4/2005
И.Лукьянов, А.Гончаров.
Высокоэффективные DC/DC-преобразователи серии "Мистраль" для жестких применений
Высокоэффективные DC/DC-преобразователи серии "Мистраль" для жестких применений
Просмотры: 2463
Группа компаний "Александер Электрик" предлагает новые модули вторичного электропитания постоянного тока серии "Мистраль" для особо жестких условий применения. Обладая выходной мощностью 6–40 Вт, модули отличаются весьма малыми габаритами, высокой удельной мощностью и широким диапазоном рабочих температур.
Радиоэлектронная аппаратура изделий классов military, defense, space, aerospace, industrial наиболее часто требует электропитания стабилизированными постоянными напряжениями из ряда 3,3; 5; 9; 12; 15; 24; 27; 48 и 60 В при работе от входных сетей постоянного тока 12, 24, 27 и 48 В. Для решения именно этой задачи предназначены модули электропитания класса DC/DC серии "Мистраль". Серия состоит из двух линий модулей: MR и MR-T. Рассмотрим модули мощностью 6–40 Вт, оставив рассказ о более мощных модулях (80–320 Вт) для следующей статьи.
Модули производятся совместно фирмами "Александер Электрик Дон" (Воронеж) и AEPS-group s.r.o. (Прага), входящими в состав группы компаний "Александер Электрик". Они выпускаются с приемкой "1", однако уже подбирается высокотехнологичная отечественная элементная база с приемкой "5" – серийная или находящаяся на стадии ОКР – и в ближайшее время фирма "Александер Электрик Дон" приступит к выпуску опытных образцов данных модулей с приемкой заказчика в рамках ОКР "Мистраль". Затем последует их серийное производство.
Каждый тип модуля представлен различными вариантами исполнения, различающимися входным/выходным напряжением, числом входов, температурным диапазоном, а также особенностями конструкции корпуса (табл.1, 2). Помимо серийно производимых модулей с типовыми наборами параметров, возможно и изготовление модулей на заказ, с отличными от приведенных в табл.1 и 2 характеристиками.
Схемотехника модулей
Преобразователи серии "Мистраль" реализованы на основе однотактных прямоходовых и обратноходовых преобразователей. Модули на 6 и 10 Вт выполнены по схеме обратноходового преобразователя (рис.1). Силовой транзистор VT1 периодически открывается и закрывается схемой управления (контроллером ШИМ). Пока VT1 открыт, в трансформаторе (многообмоточном дросселе) Т1 накапливается энергия, которая затем, при закрытом VT1, через выпрямительный диод VD1 передается на выход и заряжает конденсатор С1. Когда VT1 вновь открывается, выпрямительный диод VD1 запирается и нагрузка потребляет энергию от выходного конденсатора C1. Схема управления стабилизирует выходное напряжение, изменяя относительную длительность импульсов открытого состояния VT1 с помощью отрицательной обратной связи (ООС).
Модули с выходной мощностью 20 и 40 Вт выполнены по схеме прямоходового преобразователя (рис.2). Силовой транзистор VT1 периодически открывается и закрывается контролером ШИМ. Пока VT1 открыт, через трансформатор Т1 и выпрямительный диод VD1 на выход передается энергия, часть которой накапливается в дросселе L1 и в конденсаторе С1. Когда VT1 закрывается, запирается и выпрямительный диод VD1, а накопленная в дросселе L1 энергия открывает диод VD2 и передается на выход. Выходное напряжение, как и в предыдущем случае, стабилизируется схемой управления с помощью ООС за счет изменения относительной длительности импульсов открытого состояния VT1.
Предусмотрена возможность дистанционного включения/выключения модулей, для чего предназначен вывод УПР. Чтобы выключить модуль, достаточно задать напряжение между выводами УПР и -ВХ не более 1,1 В. Цепь коммутации можно выполнить на транзисторе, транзисторной оптопаре и т.п. (рис.3, 4). Напряжение на закрытом ключе при этом не превышает 15 В. Если дистанционное управление не используется, вывод УПР остается ни к чему не подключенным.
Схемотехнически модули линий MR и MR-T отличаются тем, что у последних отсутствуют танталовые конденсаторы (использованы только керамические), исключены оптопары (только трансформаторная обратная связь), применены высокотемпературные ферритовые материалы и встроены более эффективные входной и выходной фильтры. Кроме того, у модулей MR-T выходное напряжение может подстраиваться в пределах ±5% от номинального значения, для этого к выводу подстройки подключается внешний резистор.
Модули линии MR содержат на входе П-образные помехоподавляющие CLC-фильтры, что позволяет приблизить уровень генерации помех во входной шине питания к нормам EN55022 класс А. Преобразователи линии MR-T, помимо того, оснащены дополнительными фильтрующими устройствами, так что уровень генерации помех во входной шине питания близок к нормам EN55022 класс B. Поэтому в большинстве случаев модули "Мистраль" можно использовать без дополнительных фильтров на входе и выходе. Однако наличие внешнего входного фильтра всегда желательно, его можно выполнить на печатной плате рядом с модулем.
Отметим, что основные показатели эффективности модулей – надёжность и КПД – соответствуют требованиям современной РЭА. А по показателям удельной мощности (см. табл.1) модули серии "Мистраль" значительно превосходят аналогичную продукцию, присутствующую на российском рынке в классе military, defense, space, aerospace и industrial.
Типовые схемы включения
Типовая схема включения модулей линии MR представлена на рис.3. Для хорошей электромагнитной совместимости модулей с особо чувствительной аппаратурой в схему введены дополнительные входные и выходные помехоподавляющие фильтры. Дроссели фильтров должны быть выполнены на ферритовых материалах с коэффициентом магнитной проницаемости порядка 7000–15000. На транзисторе VT1 построен ключ дистанционного включения-выключения модуля.
Схема включения модуля линии MR-T (рис.4) не содержит внешних дополнительных помехоподавляющих фильтров даже для применений с особо чувствительной аппаратурой, так как они уже присутствуют в составе модуля. Резисторы R2 или R3 служат для подстройки выходного напряжения (±5%). Резистор R2 уменьшает выходное напряжение, а резистор R3 – увеличивает, поэтому достаточно одного из них. Можно подстраивать выходное напряжение в более широких пределах, чем ±5%, однако максимальная выходная мощность при этом снижается.
Функции защиты
При увеличении выходного тока свыше 110–140% от номинального значения система управления преобразователя начинает снижать выходное напряжение модуля, ограничивая тем самым его выходную мощность. При дальнейшем увеличении выходного тока, вплоть до короткого замыкания (КЗ), модуль переходит в режим релаксации. После устранения причины КЗ работоспособность автоматически восстанавливается. Для защиты от перенапряжения на выходе в модулях предусмотрена цепь обратной связи, независимая от основной, которая активируется, когда выходное напряжение модуля превышает 110–120% от номинального значения.
Высокая надежность модулей поддерживается и системой защиты от перегрева, которая активируется при температуре корпуса 90°С (для линии MR) и 130°С (для линии MR-T). При этом модуль переходит в режим релаксации. Когда температура опускается ниже этих порогов, модуль автоматически восстанавливает работоспособность.
Конструкция модулей
Модули выполнены в металлическом корпусе на основе двусторонней печатной платы с элементами поверхностного монтажа (рис.5). В качестве пассивной элементной базы используются керамические чип-конденсаторы и чип-резисторы типоразмеров 0603, 0805, 1206, 1812 и 2220. Активные элементы – это МОП-транзисторы, диоды Шоттки и ультрабыстрые диоды, микросхемы контроллеров ШИМ, источники опорного напряжения, операционные усилители и оптроны. В конструкции модуля они используются в микрокорпусном исполнении и залиты теплопроводящим силиконовым компаундом. В результате полностью исключается дорогостоящая гибридно-пленочная технология. Такое исполнение позволяет защитить все компоненты модуля от влаги, вибраций и ударов, а также передать тепло, выделяемое в компонентах, на поверхность корпуса.
Выводами модуля являются штыри. Их можно либо непосредственно впаивать в аппаратурную печатную плату, либо подпаивать к ним проводники объемного монтажа. Штыри не только служат надежным элементом крепления всего модуля к аппаратурной печатной плате, через них также отводится (в плату) часть рассеиваемого модулем тепла. Со стороны выводов модуля расположена печатная плата-донышко, металлизация которой является экраном электромагнитных помех.
Для прижима основания корпуса модуля к радиатору, а также для дополнительного крепления предназначены резьбовые втулки, размещенные по углам модуля (суффикс С в обозначении), либо крепежные фланцы модуля (суффикс U).
Размещенные на печатной плате мощные компоненты с большим тепловыделением (силовой МОП-транзистор, выпрямительный диод) через эластичные изоляционные прокладки с хорошей теплопередачей прижимаются к внутренней поверхности алюминиевого корпуса. Трансформатор и выходной дроссель приближены к поверхности корпуса и залиты специальным высокотеплопроводящим компаундом. Это позволяет вывести тепло на поверхность корпуса по пути с минимальным тепловым сопротивлением.
Тепловые характеристики модулей
Важным показателем для модулей электропитания является зависимость максимальной отдаваемой мощности от температуры окружающей среды (рис.6). Для расчёта теплового режима модуля (температуры корпуса Ткорп) необходимо определить мощность потерь Рп и тепловое сопротивление корпус – окружающая среда Rкорп-ос.
Мощность потерь составляет Рп = Рвых(1/h – 1), где Рвых – номинальная выходная мощность модуля, h – КПД. При расчётах КПД для каждого типа модуля должен быть уточнён по графику на рис.7. Из графика видно, что значение КПД пропорционально выходному напряжению модуля: минимальными КПД будут у модулей с выходными напряжениями 3,3 и 5 В, по мере его увеличения КПД будет расти.
Тепловое сопротивление корпус – окружающая среда вычисляется как Rкорп-ос= (Td – Тb)/Рп. В табл.3 приведены значения Rкорп-ос для маломощных DC/DC-модулей серии "Мистраль", рассчитанных при типовом значении КПД = 80%.
Зная тепловое сопротивление Rкорп-ос и мощность потерь Pп (теперь уже рассчитанную для необходимой мощности нагрузки на выходе модуля), можно вычислить температуру корпуса модуля при любом значении температуры окружающей среды Тос по формуле: Tкорп = Rкорп-ос х Рп + Tос. Применяя дополнительный конвекционный радиатор или принудительный обдув, можно значительно расширить температурную область работы модуля (см. рис.6).
Необходимо обратить внимание на то, что максимальный КПД обычно соответствует 60–70% выходной мощности (см. рис.7). И если мощность потребления равна номинальной, КПД ниже максимального значения на 1–2%. Поэтому рекомендуется ограничивать мощность нагрузки модуля на уровне 0,6–0,7 от его номинала. Тогда модуль будет работать с максимальным КПД, рассеивать допустимую мощность, а его надежность приблизится к предельной. Требование ограничения нагрузки диктуют и общие соображения по надежности, так же как и для других мощных компонентов – транзисторов, диодов и т. д.
В следующей статье будут рассмотрены DC/DC-модули электропитания серии "Мистраль" мощностью 80, 160 и 320 Вт, которые обладают дополнительными сервисными функциями, такими как выносная обратная связь и возможность параллельной работы. Ряд входных напряжений этих модулей дополнен диапазонами 110, 160 и 230 В. Мы расскажем, как на основе этих модулей построить резервированную систему электропитания по принципу N+M.
Модули производятся совместно фирмами "Александер Электрик Дон" (Воронеж) и AEPS-group s.r.o. (Прага), входящими в состав группы компаний "Александер Электрик". Они выпускаются с приемкой "1", однако уже подбирается высокотехнологичная отечественная элементная база с приемкой "5" – серийная или находящаяся на стадии ОКР – и в ближайшее время фирма "Александер Электрик Дон" приступит к выпуску опытных образцов данных модулей с приемкой заказчика в рамках ОКР "Мистраль". Затем последует их серийное производство.
Каждый тип модуля представлен различными вариантами исполнения, различающимися входным/выходным напряжением, числом входов, температурным диапазоном, а также особенностями конструкции корпуса (табл.1, 2). Помимо серийно производимых модулей с типовыми наборами параметров, возможно и изготовление модулей на заказ, с отличными от приведенных в табл.1 и 2 характеристиками.
Схемотехника модулей
Преобразователи серии "Мистраль" реализованы на основе однотактных прямоходовых и обратноходовых преобразователей. Модули на 6 и 10 Вт выполнены по схеме обратноходового преобразователя (рис.1). Силовой транзистор VT1 периодически открывается и закрывается схемой управления (контроллером ШИМ). Пока VT1 открыт, в трансформаторе (многообмоточном дросселе) Т1 накапливается энергия, которая затем, при закрытом VT1, через выпрямительный диод VD1 передается на выход и заряжает конденсатор С1. Когда VT1 вновь открывается, выпрямительный диод VD1 запирается и нагрузка потребляет энергию от выходного конденсатора C1. Схема управления стабилизирует выходное напряжение, изменяя относительную длительность импульсов открытого состояния VT1 с помощью отрицательной обратной связи (ООС).
Модули с выходной мощностью 20 и 40 Вт выполнены по схеме прямоходового преобразователя (рис.2). Силовой транзистор VT1 периодически открывается и закрывается контролером ШИМ. Пока VT1 открыт, через трансформатор Т1 и выпрямительный диод VD1 на выход передается энергия, часть которой накапливается в дросселе L1 и в конденсаторе С1. Когда VT1 закрывается, запирается и выпрямительный диод VD1, а накопленная в дросселе L1 энергия открывает диод VD2 и передается на выход. Выходное напряжение, как и в предыдущем случае, стабилизируется схемой управления с помощью ООС за счет изменения относительной длительности импульсов открытого состояния VT1.
Предусмотрена возможность дистанционного включения/выключения модулей, для чего предназначен вывод УПР. Чтобы выключить модуль, достаточно задать напряжение между выводами УПР и -ВХ не более 1,1 В. Цепь коммутации можно выполнить на транзисторе, транзисторной оптопаре и т.п. (рис.3, 4). Напряжение на закрытом ключе при этом не превышает 15 В. Если дистанционное управление не используется, вывод УПР остается ни к чему не подключенным.
Схемотехнически модули линий MR и MR-T отличаются тем, что у последних отсутствуют танталовые конденсаторы (использованы только керамические), исключены оптопары (только трансформаторная обратная связь), применены высокотемпературные ферритовые материалы и встроены более эффективные входной и выходной фильтры. Кроме того, у модулей MR-T выходное напряжение может подстраиваться в пределах ±5% от номинального значения, для этого к выводу подстройки подключается внешний резистор.
Модули линии MR содержат на входе П-образные помехоподавляющие CLC-фильтры, что позволяет приблизить уровень генерации помех во входной шине питания к нормам EN55022 класс А. Преобразователи линии MR-T, помимо того, оснащены дополнительными фильтрующими устройствами, так что уровень генерации помех во входной шине питания близок к нормам EN55022 класс B. Поэтому в большинстве случаев модули "Мистраль" можно использовать без дополнительных фильтров на входе и выходе. Однако наличие внешнего входного фильтра всегда желательно, его можно выполнить на печатной плате рядом с модулем.
Отметим, что основные показатели эффективности модулей – надёжность и КПД – соответствуют требованиям современной РЭА. А по показателям удельной мощности (см. табл.1) модули серии "Мистраль" значительно превосходят аналогичную продукцию, присутствующую на российском рынке в классе military, defense, space, aerospace и industrial.
Типовые схемы включения
Типовая схема включения модулей линии MR представлена на рис.3. Для хорошей электромагнитной совместимости модулей с особо чувствительной аппаратурой в схему введены дополнительные входные и выходные помехоподавляющие фильтры. Дроссели фильтров должны быть выполнены на ферритовых материалах с коэффициентом магнитной проницаемости порядка 7000–15000. На транзисторе VT1 построен ключ дистанционного включения-выключения модуля.
Схема включения модуля линии MR-T (рис.4) не содержит внешних дополнительных помехоподавляющих фильтров даже для применений с особо чувствительной аппаратурой, так как они уже присутствуют в составе модуля. Резисторы R2 или R3 служат для подстройки выходного напряжения (±5%). Резистор R2 уменьшает выходное напряжение, а резистор R3 – увеличивает, поэтому достаточно одного из них. Можно подстраивать выходное напряжение в более широких пределах, чем ±5%, однако максимальная выходная мощность при этом снижается.
Функции защиты
При увеличении выходного тока свыше 110–140% от номинального значения система управления преобразователя начинает снижать выходное напряжение модуля, ограничивая тем самым его выходную мощность. При дальнейшем увеличении выходного тока, вплоть до короткого замыкания (КЗ), модуль переходит в режим релаксации. После устранения причины КЗ работоспособность автоматически восстанавливается. Для защиты от перенапряжения на выходе в модулях предусмотрена цепь обратной связи, независимая от основной, которая активируется, когда выходное напряжение модуля превышает 110–120% от номинального значения.
Высокая надежность модулей поддерживается и системой защиты от перегрева, которая активируется при температуре корпуса 90°С (для линии MR) и 130°С (для линии MR-T). При этом модуль переходит в режим релаксации. Когда температура опускается ниже этих порогов, модуль автоматически восстанавливает работоспособность.
Конструкция модулей
Модули выполнены в металлическом корпусе на основе двусторонней печатной платы с элементами поверхностного монтажа (рис.5). В качестве пассивной элементной базы используются керамические чип-конденсаторы и чип-резисторы типоразмеров 0603, 0805, 1206, 1812 и 2220. Активные элементы – это МОП-транзисторы, диоды Шоттки и ультрабыстрые диоды, микросхемы контроллеров ШИМ, источники опорного напряжения, операционные усилители и оптроны. В конструкции модуля они используются в микрокорпусном исполнении и залиты теплопроводящим силиконовым компаундом. В результате полностью исключается дорогостоящая гибридно-пленочная технология. Такое исполнение позволяет защитить все компоненты модуля от влаги, вибраций и ударов, а также передать тепло, выделяемое в компонентах, на поверхность корпуса.
Выводами модуля являются штыри. Их можно либо непосредственно впаивать в аппаратурную печатную плату, либо подпаивать к ним проводники объемного монтажа. Штыри не только служат надежным элементом крепления всего модуля к аппаратурной печатной плате, через них также отводится (в плату) часть рассеиваемого модулем тепла. Со стороны выводов модуля расположена печатная плата-донышко, металлизация которой является экраном электромагнитных помех.
Для прижима основания корпуса модуля к радиатору, а также для дополнительного крепления предназначены резьбовые втулки, размещенные по углам модуля (суффикс С в обозначении), либо крепежные фланцы модуля (суффикс U).
Размещенные на печатной плате мощные компоненты с большим тепловыделением (силовой МОП-транзистор, выпрямительный диод) через эластичные изоляционные прокладки с хорошей теплопередачей прижимаются к внутренней поверхности алюминиевого корпуса. Трансформатор и выходной дроссель приближены к поверхности корпуса и залиты специальным высокотеплопроводящим компаундом. Это позволяет вывести тепло на поверхность корпуса по пути с минимальным тепловым сопротивлением.
Тепловые характеристики модулей
Важным показателем для модулей электропитания является зависимость максимальной отдаваемой мощности от температуры окружающей среды (рис.6). Для расчёта теплового режима модуля (температуры корпуса Ткорп) необходимо определить мощность потерь Рп и тепловое сопротивление корпус – окружающая среда Rкорп-ос.
Мощность потерь составляет Рп = Рвых(1/h – 1), где Рвых – номинальная выходная мощность модуля, h – КПД. При расчётах КПД для каждого типа модуля должен быть уточнён по графику на рис.7. Из графика видно, что значение КПД пропорционально выходному напряжению модуля: минимальными КПД будут у модулей с выходными напряжениями 3,3 и 5 В, по мере его увеличения КПД будет расти.
Тепловое сопротивление корпус – окружающая среда вычисляется как Rкорп-ос= (Td – Тb)/Рп. В табл.3 приведены значения Rкорп-ос для маломощных DC/DC-модулей серии "Мистраль", рассчитанных при типовом значении КПД = 80%.
Зная тепловое сопротивление Rкорп-ос и мощность потерь Pп (теперь уже рассчитанную для необходимой мощности нагрузки на выходе модуля), можно вычислить температуру корпуса модуля при любом значении температуры окружающей среды Тос по формуле: Tкорп = Rкорп-ос х Рп + Tос. Применяя дополнительный конвекционный радиатор или принудительный обдув, можно значительно расширить температурную область работы модуля (см. рис.6).
Необходимо обратить внимание на то, что максимальный КПД обычно соответствует 60–70% выходной мощности (см. рис.7). И если мощность потребления равна номинальной, КПД ниже максимального значения на 1–2%. Поэтому рекомендуется ограничивать мощность нагрузки модуля на уровне 0,6–0,7 от его номинала. Тогда модуль будет работать с максимальным КПД, рассеивать допустимую мощность, а его надежность приблизится к предельной. Требование ограничения нагрузки диктуют и общие соображения по надежности, так же как и для других мощных компонентов – транзисторов, диодов и т. д.
В следующей статье будут рассмотрены DC/DC-модули электропитания серии "Мистраль" мощностью 80, 160 и 320 Вт, которые обладают дополнительными сервисными функциями, такими как выносная обратная связь и возможность параллельной работы. Ряд входных напряжений этих модулей дополнен диапазонами 110, 160 и 230 В. Мы расскажем, как на основе этих модулей построить резервированную систему электропитания по принципу N+M.
Отзывы читателей
