Александр Гончаров

Российские высокоэффективные модули электропитания компании «Александер Электрик»

Первичный источник электроэнергии в виде выпрямленного напряжения сети переменного тока, электромеханического генератора, аккумулятора, химической или солнечной батареи обычно непригоден для электропитания устройств микроэлектронной аппаратуры. Необходимо улучшить качество первичной электроэнергии — сделать напряжение стабильным, уменьшить пульсации, получить необходимые номиналы напряжения, обеспечить гальваническую развязку, воспрепятствовать проникновению в аппаратуру губительных перенапряжений и помех. Для этого в современной микроэлектронной аппаратуре широко применяют модули электропитания AC/DC и DC/DC, преобразующие с гальванической развязкой входное напряжение одного номинала в напряжение другого номинала [1, 2].

    Российская компания ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания» (Москва) серийно производит модули и блоки электропитания промышленного и военного назначения классов AC/DC и DC/DC в диапазоне мощностей 5…1500 Вт, www.aeps.ru, [3], которые используются в радиоэлектронной аппаратуре более 140 российских приборостроительных предприятий.

В настоящее время для серийного выпуска подготовлены новые высокоэффективные модули преобразователей AC-DC и DC-DC серий СМОРОДИНА SM20, КОНОПЛЯ KN30 и KN50, КОВЫЛЬ KV75 и KV100, КРОКУС KR150, а также бортовые модули DC-DC высокой энергетической плотности серии МИРАЖ МДМП5, МДМП7.5, МДМП15, МДМП30, МДМП60, МДМП120.

Модули преобразователей AC-DC и DC-DC на мощность 20…150 Вт SM20, KN30, KN50, KV75, KV100, KR150 не имеют отечественных аналогов благодаря своим небольшим габаритам и высокому КПД. Они были разработаны в научно-техническом центре ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания» для использования в микроэлектронной аппаратуре при температуре корпуса модуля в пределах –10…+70 0С (по специальным заказам –40… +70 0С) [3].

В модулях используется новая элементная база — МОП-транзисторы КП707, КП767, КП812, КП813 и диоды Шоттки КД270, КД271, КД273 в корпусах ТО220. Используются аналоги зарубежных микросхем UC3843BVD1, UC3825, UC3844BVD1, TL431 в корпусах SO-8, микросхемы IR2110S. Широко используются новые чип-конденсаторы с повышенными удельными емкостями К10–17в, К10–47в, К53–22, а также чип-резисторы Р1-12. В дросселях и трансформаторах применяются сердечники из МО-пермаллоя МП140 и из феррита 2000НМ-1.

В модулях СМОРОДИНА, КОНОПЛЯ, КОВЫЛЬ, КРОКУС используются 3 типоразмера защитных кожухов — корпусов на основе листовой стали и алюминия — КА, КБ, КВ (рис. 1). Корпуса имеют угловые отверстия в алюминиевом основании для крепления к печатным платам и при необходимости к радиаторам.

Рис. 1

Модули серий СМОРОДИНА, КОНОПЛЯ, КОВЫЛЬ, КРОКУС имеют на входе и выходе малогабаритные клеммные колодки типа PHOENIX, что делает их весьма удобными при монтажно-сборочных работах в составе аппаратуры. Учитывая требования ряда потребителей по установке модулей непосредственно на печатную плату, компания ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания» по специальным заказам поставляет наиболее малогабаритные модули СМОРОДИНА SM20 и КОНОПЛЯ KN30, KN50 со штыревыми выводами под пайку в печатной плате.

Таблица 1

В табл. 1 приводятся конструктивные параметры корпусов модулей.

Схемотехнически модули серий СМОРОДИНА, КОНОПЛЯ, КОВЫЛЬ, КРОКУС выполнены на основе широтно-импульсного преобразователя (рис. 2). Силовые транзисторы VT1, VT2 периодически открываются и закрываются контроллером с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) — DA1. С помощью трансформатора Т1 энергия первичного источника электропитания передается на вторичную сторону. Выходные напряжения трансформатора выпрямляются диодами VD1, VD2 и передаются на выход. Изменяя относительную длительность импульсов открытого состояния VT1, VT2, контроллер ШИМ с помощью отрицательной обратной связи (ООС) имеет возможность обеспечивать стабилизацию выходного напряжения. Рабочая частота преобразования около 110 кГц. В схеме имеются элементы управления, защиты от короткого замыкания, перегрузки по току, защиты от превышения выходного напряжения, тепловой защиты (для KV75, KV100, KR150).

Рис. 2

Одноканальные, двухканальные и трехканальные модули работают с одной из сетей входного напряжения: постоянного 10,8…16 В, 22…30 В, 18…36 В, 36…60 В, 54…72 В, 82…166 В, 175…350 В или переменного ~80…140 В 400 Гц, ~187…242 В 50 Гц. Суммарная нестабильность выходного напряжения, включающая нестабильность от воздействия изменений входного напряжения (около 0,3 %), тока нагрузки (около 0,5 %), температуры, времени, составляет не более 3 % для основного канала или 8 % для дополнительных каналов. Типовая пульсация на выходе не более 1 % от номинала выходного напряжения. Выходные напряжения устанавливаются по заданию потребителя в диапазоне 3…60 В.

В компании ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания» принят «золотой стандарт» для выходных напряжений модулей на складе готовой продукции поддерживаются товарные количества модулей с выходными номиналами напряжений, находящимися в диапазонах 2,5…3,3 В, 5…6.3 В, 12…15 В, 23…28,7 В, 48…60 В.

Основные параметры модулей СМОРОДИНА, КОНОПЛЯ, КОВЫЛЬ, КРОКУС приведены в табл. 2.

Таблица 2

Уровень индустриальных радиопомех, создаваемых модулем, соответствует нормам графика 2 ГОСТ 25803-83. Модули содержат помехоподавляющие фильтры второго порядка как по входу, так и по выходу.

Модули имеют гальваническую развязку с напряжением 1500 В между входом и выходом, между входом и корпусом и 500 В между выходом и корпусом.

Приведенные в табл. 1 значения КПД являются повышенными для данного класса переобразователей, что определяет высокую энергетическую эффективность модулей СМОРОДИНА, КОНОПЛЯ, КОВЫЛЬ, КРОКУС.

Высокая энергетическая эффективность данных модулей определяется не только тщательной оптимизацией конструктивно-схемотехнических характеристик модулей при их проектировании, но и использованием в рабочем цикле обратноходового преобразования элементов прямоходового преобразования за счет перекрестного накопления и утилизации энергии переключения в специальных индуктивно-емкостных накопителях-реакторах.

Необходимо обратить внимание, что КПД приведен для выхода с напряжением 5 В. Во многих других случаев реальный КПД является еще более высоким, например при выходном напряжении 12 В КПД достигает значений 0,8ѕ0,84. Важность этого показателя определяется максимальной тепловой мощностью, рассеиваемой в модуле — Ррасс, и в конечном итоге КПД определяет энергетическую эффективность модуля. Например, предельная выходная мощность модуля без радиатора зависит от поверхности корпуса Sкор и КПД:

Рпред = Sкор* КПД / (1 – КПД)* 25.

Например, только благодаря высокому КПД, равному 0,76 при выходном напряжении 5 В, модуль KN50, установленный на печатную плату, может отдать в нагрузку 29 Вт при температуре окружающей среды +35 0С. А при выходном напряжении 12 В (КПД равен 0,82) выходная мощность уже равна 42 Вт.

Аналогичный рыночный модуль имеет типовой КПД 0,7 при выходном напряжении 5 В, что определяет предельную мощность лишь 21 Вт (если его габариты столь же малы).

Модули DC/DC серии МИРАЖ были разработаны по заданию 22 ЦНИИИ МО для использования в жестких условиях бортовой аппаратуры при температуре корпуса модуля 60°. Серия модулей МИРАЖ состоит из двух направлений. Выпускаемые в настоящее время модули обычной энергетической плотности МДМ7.5, МДМ15, МДМ30, МДМ60, МДМ120 выполнены в корпусах средних габаритных размеров.

Данные модули предназначены для работы в самых жестких температурных условиях, поскольку развитая поверхность их корпусов позволяет легко достигать максимальной мощности с минимальными по площади радиаторами. В ряде случаев можно обойтись вообще без радиаторов.

    В этих модулях используется в основном традиционная отечественная элементная база: МОП-транзисторы КП767, КП812, КП813 и диоды Шоттки КД270, КД271, КД273 в корпусах ТО220. Используются микросхемы в металлокерамических корпусах серии 564, также применяются микросхемы КР142ЕН19а, КР1173СП1. Используются чип-конденсаторы К10-17в, К10-47в, К53-22. В дросселях и трансформаторах применяются сердечники из МО-пермаллоя МП140 и из феррита 2000НМ-1.

Появление на отечественном рынке новой элементной базы позволило создать новое направление модулей повышенной энергетической плотности по принципу — в корпусе модуля с выходной мощностью 7,5 Вт МДМ7.5 теперь размещается модуль мощностью 15 Вт МДМ15П, в корпусе модуля с выходной мощностью 15 Вт МДМ15 теперь размещается модуль мощностью 30 Вт МДМ30П и т. д. Данные модули требуют тщательного теплового проектирования, поскольку необходимо отводить тепло от относительно малых поверхностей корпуса.

В модулях повышенной энергетической плотности МДМП5, МДМП7.5, МДМП15, МДМП30, МДМП60, МДМП120 используется новая элементная база — аналоги зарубежных микросхем UC3843BVD1, UC3825, TL431 в корпусах SO-8, аналоги МОП-транзисторов IRF640S, IRF210N, IRF540 в корпусах Dpak и D2pak для поверхностного монтажа, также используются новые чип-конденсаторы с повышенными удельными емкостями. В данных модулях увеличена рабочая частота, благодаря чему уменьшены размеры входных и выходных фильтров.

Используется 7 типоразмеров алюминиевых корпусов — ЗА, ЗБ, ЗВ, ЗГ, ЗД, ЗЕ, ЗЖ.

Каждый типоразмер корпуса модуля может быть представлен по выбору потребителя в виде обычного штампованного тонкостенного корпуса или усиленного фрезерованного (рис.3). Обычные корпуса содержат внутренние резьбовые втулки для крепления к печатным платам и при необходимости к радиаторам, усиленные корпуса для этих же целей имеют резьбовые отверстия во внешних приливах корпуса.

Рис. 3

Таблица 3

В табл. 3 приводятся конструктивные параметры корпусов модулей. Схемотехнически модули МИРАЖ выполнены на основе широтно-импульсного преобразователя (рис. 4). Силовой транзистор VT1 периодически открывается и закрывается контроллером с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) — DA1. С помощью трансформатора Т1 энергия первичного источника электропитания передается на вторичную сторону. Выходные напряжения трансформатора выпрямляются диодами VD1, VD2 и передаются на выход. Изменяя относительную длительность импульсов открытого состояния VT1, контроллер ШИМ с помощью отрицательной обратной связи (ООС) имеет возможность обеспечивать стабилизацию выходного напряжения. Рабочая частота пре- образования около 200 кГц. В схеме имеются элементы управления, защиты от короткого замыкания, перегрузки по току, защиты от превышения выходного напряжения, тепловой защиты.

Рис. 4

Одноканальные и двухканальные модули работают с одной из сетей входного напряжения 10…18 В, 18…36 В, 36…72 В. Выходные напряжения устанавливаются по заданию потребителя в диапазоне 3…68 В. Суммарная нестабильность выходного напряжения, включающая нестабильность от воздействия изменений входного напряжения (около 0,5%), тока нагрузки (около 1 %), температуры, времени, составляет не более 3 % для выхода с положительным напряжением и 7 % для выхода с отрицательным напряжением для двухканальных модулей. Пульсации от пика до пика не более 1 % от номинала выходного напряжения.

Таблица 4

Основные параметры модулей МИРАЖ приведены в табл. 4. Модули серии «Мираж» имеют высокие значения КПД, типовой КПД при выходном напряжении 12 В более 0,85ѕ0,88! Дистанционное выключение производится подачей на вывод управления потенциала логического нуля относительно вывода — Uвх, например, с помощью открытого коллектора ТТЛ/КМОП-микросхемы. Дистанционное включение производится снятием с вывода управления потенциала логического нуля.

Важной особенность модулей серии «Мираж», поставляемых на сеть 18…36 В, является их работа с входным напряжением, имеющим выбросы до 80 В в течение 1 с. Это позволяет особенно эффективно использовать модули серии «Мираж» в авиационной и автомобильной МЭА. Уровень индустриальных радиопомех, создаваемых модулем, соответствует нормам графика 2 ГОСТ 25803-83. Модули содержат помехоподавляющие фильтры второго порядка как по входу, так и по выходу.

Модули имеют гальваническую развязку с напряжением 500 В между входом и выходом, между входом и корпусом и между выходом и корпусом.

Особо важной проблемой применения модулей электропитания является необходимость обеспечения таких тепловых режимов корпуса модуля, чтобы температура корпуса не только не превышала предельные +70 0С для модулей СМОРОДИНА, КОНОПЛЯ, КОВЫЛЬ, КРОКУС и +85 0С для модулей МИРАЖ, но и был необходимый запас для обеспечения надежности. На важность этого указывает тот факт, что среднее время наработки на отказ уменьшается вдвое при повышении температуры модуля на каждые 10 0С.

Это значит, что необходимо использовать теплоотводящие устройства для обеспечения необходимого перегрева корпуса модуля относительно окружающей среды.

Для модуля, стоящего на печатной плате (рис. 5), с ее вертикальным расположением можно считать, что его теплоотводящая поверхность равна поверхности охлаждения корпуса (табл. 1, 3). Для увеличения поверхности охлаждения к модулю может быть прикреплен конвекционный радиатор. Модуль может обдуваться принудительно потоком воздуха, что как бы увеличивает поверхность охлаждения — для обдува небольшой интенсивности, около 0,5–1 м/c эффективная поверхность увеличивается примерно в 2…5 раз, в зависимости от конструкции охлаждающей системы и исходных условий. Также в МЭА может использоваться кондуктивный теплоотвод (см. рис. 5), когда модуль прикрепляется к металлической стенке аппаратурного блока или шкафа достаточной толщины.

Рис. 5

На фирме ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания» используется специальная программа для тепловых расчетов энергетических возможностей модулей при различных условиях эксплуатации. Программа позволяет определить оптимальные размеры теплоотводящих радиаторов. Типовые радиаторы, рассчитанные под компоновочные схемы суммарной ширины (при вертикальном расположении печатных плат) 20 мм, 25,4 мм, 30 мм, 40 мм и 60 мм производятся ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания» по специальным заказам и могут поставляться вместе с модулями. Для инженеров, применяющих модули электропитания, компания ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания» рекомендует учитывать, что на конвекционное отведение 1 Вт рассеиваемой модулем мощности (определяется, как Pн(1-КПД)/КПД) в нормальных условиях требуется около 25 кв. см поверхности для обеспечения перегрева 35 0С.

В схемотехнике и конструкции модулей серий СМОРОДИНА, КОНОПЛЯ, КОВЫЛЬ, КРОКУС, МИРАЖ широко применяются новые технические решения (ноу-хау) компании ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания», ряд из которых защищен патентами Российской Федерации [4]. В последующих статьях предполагается познакомить читателей с основными параметрами серийно производимых мощных модулей и блоков электропитания серий КЛЕВЕР, КИПАРИС, КЕДР, ВЬЮНОК, ВЕРЕСК, ВАСИЛЕК, ВЕРБА, ВЯЗ, БЕРЕЗА на диапазон мощности 40…1500 Вт.

     Литература

1. Гончаров А. Ю. Серийно выпускаемые транзисторные преобразователи электроэнергии. — Электроника: НТБ, 1998, № 2, 3–4.
2. Гончаров А. Ю. Практика применения конвертерных модулей класса DC/DC. — Электронные компоненты, 1999, № 1–2, 3.
3. Модули и блоки электропитания-2000 промышленного и военного назначения. Каталог продукции фирмы ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания». — Москва, 2000.
4. Гончаров А. Ю. Патенты РФ №№ 2072617, 2072616, 2076444, 1994–1997.

alecsan@online.ru

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы