Модули серии PFE — удобная основа для создания надежной системы электропитания

№ 4’2015
PDF версия
Часто источник питания должен иметь не стандартные, а свои индивидуальные габариты и формы. И разработчик оказывается в ситуации, когда он не может подогнать под них готовые рыночные изделия, а на проектировку собственного решения нет времени или должного опыта. Тем более если речь заходит о достаточной мощности и о высокой надежности, для обеспечения которой желательно отсутствие вентилятора. В таких условиях особую актуальность приобретает решение, способное стать основой для создания специального источника питания по принципу конструктора.

В 2007 году появился модульный преобразователь AC/DC, который, по сути, стал новшеством не только в ассортименте ИП TDK-Lambda, но и вообще на рынке модульных ИП. В нем воплотилась идея объединить в одном корпусе Front-End-модуль, осуществляющий активную коррекцию коэффициента мощности, и DC/DC-преобразователь, который понижает высокое выходное напряжение модуля ККМ в более низкое стандартное напряжение. Серия получила название PFE (рис. 1).

Внешний вид модулей серии PFE

Рис. 1. Внешний вид модулей серии PFE

Впрочем, ее появление обусловлено и эволюционными изменениями в сфере обеспечения электропитания, в частности, в области DC/DC-преобразователей POL. Такие модули размещаются на печатной плате и питают различные потребители, находясь в непосредственной близости от них, в связи с чем и получили название «преобразователи Point-of-Load» (POL). Обычно они снабжаются энергией от шины с напряжением 48 или 24 В, запитанной от крупногабаритного источника питания AC/DC со встроенным ККМ и принудительным воздушным охлаждением, установленным в корпусе за пределами печатной платы (рис. 2а).

Схема распределения электропитания

Рис. 2. Схема распределения электропитания:
а) с внешним источником питания AC/DC;
б) с модульным корректором коэффициента мощности и промежуточным DC/DC, установленными на печатной плате

Требования компактности и эффективности привели к необходимости модернизировать такую схему и разработать модуль, осуществляющий выпрямление до номинала 360–380 В постоянного тока и одновременно выполняющий активную коррекцию коэффициента мощности.

TDK-Lambda создала линейку, состоящую из двух таких устройств — PF1000A (1000 Вт) и PF500A (500 Вт). Они умещаются в размерах Brick или Half-Brick соответственно, монтируются на печатной плате и питают конвертеры POL либо напрямую, либо через мощный промежуточный DC/DC-преобразователь с высоким входным напряжением (рис. 2б). К таким устройствам относится, например, модуль серии PAF. Преимущество данного метода заключается в размещении всех силовых компонентов на одной и той же печатной плате, за счет чего уменьшаются размеры конечного изделия и становятся ненужными межкомпонентные соединительные силовые проводники. И хотя модульный ККМ требует применения некоторых внешних пассивных компонентов (накопительные и фильтрующие конденсаторы), площадь, необходимая для них, меньше по сравнению с внешними источниками питания AC/DC в металлических корпусах (рис. 4а).

И наконец, следующим шагом в направлении минимизации и оптимизации схемы распределения питания стала идея компании объединить модуль-выпрямитель, реализующий активную коррекцию коэффициента мощности, и преобразователь высокого напряжения в более низкое стандартное напряжение на выходе (рис. 3).

Варианты схемы распределения электропитания с комбинированным модулем AC/DC, установленным на печатной плате

Рис. 3. Варианты схемы распределения электропитания с комбинированным модулем AC/DC, установленным на печатной плате

Применение такого комбинированного модуля повышает эффективность, компактность и надежность системы питания по сравнению с предыдущим решением, поскольку уменьшается количество звеньев схемы, обвесных компонентов и промежуточных соединений на плате (рис. 4б).

Плата питания на основе преобразователей

Рис. 4. Плата питания на основе преобразователей:
а) PF500 + PAF600F;
б) PFE500

Прогресс в компонентах и технологиях проектирования электронных устройств позволил минимизировать размеры этого решения и разместить оба модуля в формате Full-Brick. Столь высокая удельная мощность была достигнута благодаря использованию плоских сердечников из пермаллойных сплавов, обмоток с плоским проводом, планарных обмоток, применению компактных полупроводниковых коммутирующих SMD-компонентов, а также интегральных микросхем, специальных изолирующих компаундов, интеграции сердечников и печатной платы и других технологий.

Рекомендуемая схема подсоединения внешних компонентов к модулю PFE500

Рис. 5. Рекомендуемая схема подсоединения внешних компонентов к модулю PFE500

Для создания полнофункционального AC/DC-источника питания модуль нуждается в подсоединении набора внешних компонентов (рис. 5), основными из которых являются емкостные и резистивные элементы. Они нужны для обеспечения входной, промежуточной и выходной фильтрации, а также для ограничения пускового тока и защиты. Инструкция пользователя объясняет функциональное назначение компонентов и предоставляет их рекомендуемые номиналы в зависимости от различных условий применения и выбранных моделей. Например, в таблице приведены рекомендации по выбору конденсаторов с С1 по С5 и С15. На отдельные компоненты дается диапазон номиналов, что позволяет оптимизировать блок питания, исходя из индивидуальных требований системы, например, выбор сглаживающего конденсатора корректора коэффициента мощности, как видно на рис. 6, зависит от максимального тока нагрузки.

Кривая выбора значения сглаживающего конденатора C10

Рис. 6. Кривая выбора значения сглаживающего конденатора C10

Таблица. Пример рекомендаций руководства пользователя по выбору конденсаторов С1–С5, С15

Модель

С15

C1, C4, C5

C2, C3

PFE500S-12

25 В, 1000 мкФ

250 В, 1 мкФ (плен.)

250 В, 4700 пФ (керам.)

PFE500S-28

50 В, 470 мкФ

PFE500S-48

100 В, 220 мкФ

Первыми моделями были PFE300, PFE300S, PFE500S и PFE700S, которые выдают нагрузке соответственно 300, 500 и 700 Вт мощности.

Затем TDK-Lambda дополнила семейство, представив новые модели PFE500F и PFE1000F, имеющие расширенный набор функций: кроме выносной обратной связи и подстройки выходного напряжения, появились активная схема распределения тока, встроенный источник опорного напряжения номиналом 12 В, сигнал IOG (Input-Output-Good) и функция дистанционного включения/выключения (с помощью сигнала положительной логики).

Активная схема распределения тока позволяет включать в параллель до шести модулей и обеспечивать таким образом питание устройств с высоким потреблением входного тока (либо с необходимостью иметь функцию резерва). Вывод опорного напряжения (12 В, 20 мА), возможность управлять включением/выключением и наличие сигнала об исправной работе модуля предоставляют дополнительные возможности для управления динамикой включения/выключения и диагностики системы питания.

Преобразователи выпускаются с номинальным выходным напряжением 12, 28 и 48 В и возможностью подстройки выхода в диапазоне ±20%, при этом нестабильность по входному напряжению и по нагрузке не превышает 0,4%. Вся серия работает от линии переменного тока в диапазоне 85–265 В с частотой 47–63 Гц. Что касается температурного режима, модели PFE500S‑12 и PFE500F‑12 рассчитаны на работу при температуре теплоотводящего основания от –40 до 85 °C, а остальные модели способны функционировать при температуре от –40 до 100 °C, если входное напряжение находится в диапазоне от 170 до 265 В. При этом же условии КПД во всех версиях серии составляет 83–86%.

Много это, достаточно или мало? Конечно, ответ на данный вопрос во многом зависит от особенностей построения системы, для которой разрабатывается источник питания. Как показывает практика, для большинства российских проектов сам факт, что для получения 500 Вт на выходе нужно отдать 580–600 Вт мощности на вход, не составлял бы проблемы, если разница в 80–100 Вт могла бы чудесным образом исчезнуть и быть забытой. Но поскольку почти вся эта потерянная энергия превращается в тепло, у разработчиков появляется еще один значительный аспект при разработке модуля питания — тепловой расчет. Охлаждение осуществляется через радиатор, монтируемый на теплоотводящее основание либо креплением модуля PFE на плоскую платформу корпуса, что часто наблюдается в военных применениях и делает задачу термического расчета относительно простой. Расчет размера радиатора тоже не представляет особой сложности, но инженеру необходимо обеспечить нормальные условия работы не только самому модулю, но и всем компонентам системы, размещенным в том же корпусе. Поэтому при увеличении тепловых потерь компактность всей системы существенно снижается. Такие реалии, а также направленность западного рынка в сторону энергоэффективности побудили разработчиков TDK-Lambda усовершенствовать линейку PFE, поставив перед собой главную задачу — уменьшить тепловые потери.

Модернизированная линейка получила номенклатурное название PFE-SA и вышла на рынок уже в 2014 году. Функционально она не отличается от предыдущей серии PFE-S. Визуально устройства тоже никак не изменились и Pin-to-Pin-совместимы с предшественниками.

Внешний вид понижающего трансформатора линейки PFE500SA

Рис. 7. Внешний вид понижающего трансформатора линейки PFE500SA

Но в свете энергоэффективности сделан большой шаг вперед. Проект был пересмотрен фактически на каждом этапе. При той же топологии изменена схемотехника и сократилось общее количество компонентов, что позволило выполнить иной дизайн разводки печатной платы. Теперь все компоненты разместились на одной стороне, что изменило и объем свободного пространства внутри корпуса, а следовательно, и динамику распределения тепла. Для индуктора каскада корректора мощности был выбран новый порошковый сердечник из пермаллойного сплава железа и никеля типа High Flux. Это позволило уменьшить тепловые потери в сердечнике почти на 5,5 Вт. Трансформатор основного каскада (рис. 7) тоже претерпел изменения. Выбран новый сердечник и применен новый подход к чередованию первичных и вторичных обмоток. В результате распределение магнитного поля стало более сбалансированным (рис. 8), потери «в меди» уменьшились на 2,2 Вт, а нагрев трансформатора сократился в среднем на 12 °C (распределение рассеиваемой мощности в обмотках показано на рис. 9).

Результаты симуляции распределения напряженности магнитного поля понижающего трансформатора и потери в обмотках

Рис. 8. Результаты симуляции распределения напряженности магнитного поля понижающего трансформатора и потери в обмотках:
а) для линейки PFE500S 48;
б) для линейки PFE500SA 48

Результаты симуляции тепловых потерь в обмотках понижающего трансформатора

Рис. 9. Результаты симуляции тепловых потерь в обмотках понижающего трансформатора:
а) для линейки PFE500S 48;
б) для линейки PFE500SA 48

Результатом всех проведенных исследований и стараний инженеров стало повышение КПД в среднем на 4%. Графики на рис. 10 показывают динамику изменения КПД линеек PFE-S и PFE-SA в зависимости от тока нагрузки и входного напряжения.

Повышение КПД модуля PFE500SA 48 по отношению к PFE500S 48 при входных напряжениях 100 и 200 В

Рис. 10. Повышение КПД модуля PFE500SA 48 по отношению к PFE500S 48 при входных напряжениях 100 и 200 В

Таким образом, при полной нагрузке на входе потребляется уже 550–575 Вт в зависимости от модели и рассеять нужно на 25–30 Вт меньше, а это почти треть рассеиваемого тепла. И если в проекте в качестве теплоотводящего решения применяется радиатор, то его размеры существенно уменьшаются.

Гарантийный срок модулей PFE-SA тоже увеличен: они имеют пятилетнюю гарантию, тогда как предшествующая линейка PFE располагала только двумя годами гарантийного срока. Все модели отвечают стандартам электробезопасности IEC/EN/UL/CSA 60950-1 и маркированы знаком CE.

Что касается применений, преобразователи серии PFE очень успешно используются и в системах питания для «военки», и в гражданской промышленности. Это и телекоммуникационные, и транспортные, и радиопередающие системы, а также другие сферы, предусматривающие использование устройств с большим жизненным циклом, способных работать в жестких условиях и условиях без доступа воздуха.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *