Некоторые особенности выбора DC/DC конверторов

характеристики DC/DC конверторов компании C&D Technologies

Как правильно выбрать DC/DC конвертор?

При выборе конвертора DC/DC для конкретного приложения разработчикам бывает порой трудно выбрать подходящий прибор, в особенности сопоставить характеристики похожих приборов от различных производителей. Количество и полнота информации, приводимой в технической документации, иногда оставляет желать лучшего. Рассмотрим области, в которых особенно трудно провести сравнение.

Температурные характеристики и эффективность работы

Поскольку конверторы DC/DC являются устройствами с повышенным тепловыделением, их температурные характеристики очень важны при разработке устройств с распределенной архитектурой питания (Distributed Power Architecture), широко используемой при построении телекоммуникационных систем.

Однако в некоторых случаях определение температурных характеристик становится не совсем очевидным. Основное затруднение состоит в различии между такими понятиями, как «рабочий диапазон температур» (operating range) и «специфицируемый диапазон температур» (specification range). Специфицируемый диапазон температур определяет минимальную и максимальную температуру, при которой конвертор будет соответствовать основным заявленным характеристикам (например, выходной мощности и коэффициенту шума на выходе). Более широкий температурный диапазон, приводимый некоторыми производителями, на самом деле является полным температурным диапазоном, в котором конвертор остается работоспособным, ухудшая при этом свои характеристики.

Подобное различие может привести к весьма неприятным последствиям. Так, на некоторые конверторы заявлен температурный диапазон от –40 до 85 °С. На самом деле эти конверторы соответствуют спецификации только в температурном диапазоне от 0 до 70 °С. Спецификации не приводят данных, как будут себя вести конверторы в промежутках от –40 до 0 °С и от 70 до 85 °С. Коэффициент шума в этих областях может достигать значений, в два раза превышающих оговоренные в спецификации. Даже там, где информация предоставлена, уменьшение эффективности работы конвертора при увеличении температуры может серьезно повлиять на работу разрабатываемого устройства.

Например, если в технической документации указано, что конвертор с рабочим диапазоном температур от –25 до 75 °С теряет 3% КПД на градус при температуре больше 60 °С, то при максимальной температуре в 75 °С он сможет отдать в нагрузку всего половину указанной в документации мощности.

Внимательный анализ сносок и примечаний также очень важен. Можно с удивлением узнать, что конвертор обеспечивает заявленные максимальные характеристики только при наличии внешнего радиатора или иной теплоотводящей системы. Или, измерения коэффициента пульсаций либо коэффициента шума необходимо проводить при наличии дополнительных внешних компонентов.

Характеристики пайки конверторов для поверхностного монтажа

В случае с конверторами DC/DC для поверхностного монтажа особое внимание следует обратить на температуру пайки, указанную в технической документации. Обычная микросхема, предназначенная для поверхностного монтажа, должна выдерживать температуру выводов порядка 280 °С в соответствии со стандартом CECC00802 (пайка оплавлением).

При подобных условиях пайки температура подложки с компонентами может достигать 300 °С. Между тем температура пайки большинства гибридных конверторов DC/DC для поверхностного монтажа, выполненных в корпусах из термопластика, значительно ниже. В результате разработчикам приходится значительно усложнять процесс сборки изделия, предусматривая раздельные технологические стадии установки и пайки отдельно для стандартных SMD-компонентов, и отдельно — для гибридных конверторов DC/DC. Подобный двухступенчатый процесс приводит к значительному увеличению времени сборки и увеличивает расходы производителей, тем самым сводя на нет все положительные факторы от использования «настоящих» SMD-компонентов.

Ошибки в указании соответствия стандартам безопасности

Стандарт безопасности UL1950 — один из важных стандартов, определяющий «технические требования по обеспечению безопасности использования телекоммуникационных и иных устройств, включающих в себя цепи питания с опасным для жизни напряжением». В случае с конверторами DC/DC, устанавливаемыми на печатную плату, требования этого стандарта чаще всего связывают с изоляцией между входом и выходом.

К сожалению, порой заявление соответствия устройства требованиям стандарта UL1950 не означает, что это соответствие правильно выполняется. Дело в том, что стандарт UL1950 оговаривает соответствие одному из четырех уровней изоляции: эксплуатационному (operational), основному (basic), дополнительному (supplementary) и усиленному (reinforced). Всего лишь несколько производителей указывают это в своих спецификациях. В результате только некоторые инженеры-разработчики могут верно указать нужный UL. Подобные указания особенно важны в телекоммуникационной аппаратуре, обеспечивающей дополнительный или усиленный уровень изоляции.

Еще одна особенность стандарта UL1950 заключается в том, что все тестируемые образцы проверяются на соответствие требованиям стандарта в тех условиях, которые производитель заявил как рабочие (operating conditions). Это и естественно: устройство тестируется в тех условиях, в которых ему придется функционировать. Однако всегда полезно удостовериться в этом, потребовав копию соответствующего отчета об испытаниях у производителя (испытательные и сертификационные лаборатории не предоставляют подобные отчеты). Если производитель не может представить подобный отчет, это должно настораживать.

Некоторые затруднения у разработчиков продуктов, поставляемых на европейский рынок, вызывает маркировка «CE» (европейская маркировка, означающая соответствие изделия требованиям стандарта EN50081-1 — европейского стандарта по электромагнитной совместимости). Поскольку конверторы DC/DC являются переключающими устройствами, они могут служить потенциальным источником электромагнитных помех и, следовательно, должны проходить тестирование на электромагнитную совместимость и возможность маркировки «CE». Однако это утверждение, подчас поддерживаемое самими производителями, ошибочно. Дело в том, что как элементы схемы, не несущие самостоятельной функции в рамках устройства, конверторы DC/DC не рассматриваются соответствующими положениями по электромагнитной совместимости (EMC). Следовательно, такие устройства не подпадают под действие директивы 89/36/EEC, в соответствии с которой продукты должны иметь маркировку «CE». То есть неправильно маркировать конверторы DC/DC знаком «CE».

Вводящая в заблуждение терминология

Особенно осторожно нужно относиться к расплывчатой терминологии. Например, наиболее часто используемым выражением является «Разработано в соответствии с требованиями стандарта ХХХ (Designed to meet XXX standard)». Это всего лишь означает, что разработчик не провел официального тестирования прибора, и, следовательно, не может гарантировать соответствие требованиям стандарта. Внимательно следует относиться и к обобщенным терминам типа «длительный»(long-term), «мгновенный» (momentary) или «типовой» (typical).

Так какой же конвертор DC/DC выбрать?

Теперь, когда нам известны некоторые тонкости при выборе конверторов DC/DC, осталось всего лишь остановить свой выбор на конкретной модели.

Спектр предлагаемых на рынке конверторов DC/DC очень широк. Их выпускают такие производители, как Acute Power Inc., Astek, C&D Technologies, Cosel, ETA-USA, EOS, Franmar, Martek Power, Power One, Peak Electronics и TRACO Power. В данной статье мы ограничимся рассмотрением линейки продуктов от компании C&D Technologies.

Компания C&D Technologies является одним из мировых лидеров по производству и продаже систем для преобразования и хранения электрической энергии, включая промышленные аккумуляторы, системы резервного электропитания, электронные источники питания (преобразователи AC-DC и DC/DC) и компоненты для создания источников питания. В декабре 2000 года C&D Technologies приобрела компанию Newport Components Division (члена Newport Technology Group Limited), которая специализировалась на разработке и изготовлении конверторов DC/DC. Новое подразделение сохранило тематику Newport Components Division и получило название C&D Technologies (NCL) (http://www.cdncl.com). В настоящее время C&D Technologies (NCL) выпускает широкую линейку конверторов DC/DC, параметры которых представлены в таблице 1.

Таблица 1. DC-DC конверторы, выпускаемые компанией C&D Technologies

Всю гамму конверторов DC/DC от C&D Technologies можно разделить на несколько категорий.

Конверторы DC/DC очень низкой мощности (до 1 Вт)

Подобные конверторы представлены в основном семействами LME, HPR1XX, HPR4XX, NKA, NKE, NMA, NMD, NME, NMF, NMJ, NMR, NMV, NTA, NTE, NTV.

Ключевой особенностью этой серии является сочетание одного из самых низких в промышленности уровня шумов (40–60 мВ в полосе шириной 20 МГц) и индустриального температурного диапазона (–40 … +85 °С). Все изделия выполнены в хорошо знакомом для российских разработчиков конструктиве, используемом Traco. Компания Newport Components была первой, кто выпустил конвертор в таком конструктиве (серия NTA) в 1984 году.

Конверторы DC/DC малой мощности (от 1,5 до 6 Вт)

Данные конверторы представлены семействами PWR11XX, PWR13XX, HL02R, NDL, NMH, NML, NMS, NMT, NDY, PWR12XX, HB04U, WP06R. Эти конверторы имеют расположение выводов по общепромышленному стандарту, а также работают в широком диапазоне температур. Кроме того, конверторы снабжены постоянной защитой от перенапряжения и короткого замыкания, а также защитой от перегрева. Некоторые модели обладают опцией удаленного включения-выключения.

Конверторы DC/DC средней мощности (от 10 до 150 Вт)

Эти конверторы представлены следующими семействами: NPH105, WPC10R, NPH15S, WPN20R, NPH25S, VSX40, VKA50, VKA60, VKP60, VSX60, VKA75, VKA100, VKP100, VKA150. Особенностями данных серий являются высокая эффективность (до 89 %), наличие дополнительных опций регулировки частоты и выходного напряжения, опция внешнего отключения. Все конверторы имеют стандартную разводку и большинство из них сертифицировано по стандарту UL1950.

Преобразователи DC/DC большой мощности (от 300 до 500 Вт)

Подобные приборы используются в основном в качестве источников вторичного электропитания. Они представлены следующими сериями: DNX301, DNX350, CPCI350DC, PCI500-4X. Две последние серии предназначены для работы в системах Compact PCI и обеспечивают все необходимые для работы этих систем напряжения.

Среди вышеупомянутых конверторов особо следует отметить такие подгруппы, как конверторы с высокой изоляцией между входом и выходом (до 8 кВ) — серий NMJ, NMS, HB04U, а также конверторы для поверхностного монтажа (серии HPR1XX, NTA, NTE, NTV, HL02R), выполненные по технологии производства микросхем (монтаж на рамке), что обеспечивает компланарность выводов ± 0,1 мм.

Помимо конверторов DC/DC компания C&D Technologies выпускает широкий спектр источников питания от сети переменного тока мощностью до 2 кВт (серии NX301, NX350, PX400, PX401, PX402, SX400, SX500, PX500, PCI500-4A, KX750, TX1000, TXD2000) а также импульсных выпрямителей (серии RM4875, RM4830, RM4850, RM24150). Параметры данных устройств приведены в таблице 2.

Таблица 2. Источники питания и импульсные выпрямители, выпускаемые C&D Technologies

Выпрямители

Дополнительную информацию по продукции C&D Technologies вы можете получить на сайтах www.cdncl.com, www.cdpowerelectronics.com и www.semiconductor.ru.

При написании этого материала использовалась статья Роба Хилла (Rob Hill) «Cutting through the bullsh**. How to play the spec game when specifying DC/DC converters.» Newport Article. November 1999. Ref. NPA/033/A.

Роб Хилл (C&D Technologies),Станислав Дидилев

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