Рынок транспортного приборостроения традиционно предъявляет повышенные требования к надёжности и эффективности выпускаемой продукции. Подбор высоконадёжных комплектующих является первоочередной задачей при проектировании и разработке электроники в данной отрасли. Надёжностью и безотказностью должны обладать буквально все элементы проектируемой системы, и, безусловно, одной из главных составляющих является звено электропитания. А вследствие специфики архитектуры распределения питания значительный спрос создаётся именно на преобразователи постоянного тока (DC-DC).
Таких производителей устройств на рынке всегда было немного, но в последние годы, помимо американских, японских и европейских производителей, всё больше и больше появляется предложений от китайских и отечественных компаний. И перед специалистами встаёт нелёгкая задача подбора необходимой базы комплектующих. Ведь очень важно ещё на стадии проектирования соблюсти баланс цены, эффективности и качества конечного продукта. Подобной стратегии придерживается и мировой лидер в производстве промышленных источников питания и преобразователей напряжения – TDK-Lambda. В каталоге компании уже представлены модули для монтажа на плату таких серий, как PFE, PFH, CN-A, PH-A и PAF, однако производитель поставил перед собой цель расширить ассортимент высоконадёжных DC-DC преобразователей линейкой HQA, о которой вы подробнее узнаете в этой статье.
Внешний вид преобразователей серии HQA представлен на рис. 1.
Данные модули имеют промышленный формат корпуса Quarter Brick, что типично для применений типа MIL-COTS (Military Commercial Off-The-Shelf).
Существует два варианта корпусов, которые отличаются профилем основания. Это даёт возможность разработчикам найти наиболее оптимальный способ крепления теплоотводящего основания к корпусу или радиатору и тем самым обеспечить хороший теплоотвод. Модуль с фланцевой подложкой имеет габариты 60,6×55,9×12,7 мм, а модели без фланцев соответствуют стандартному формату Quarter Brick с размерами 60,6×39×12,7 мм.
Корпус прибора имеет герметичную комбинированную 2-компонентную заливку: бо́льшая часть пространства заполняется силиконосодержащим ком-паундом 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 трудоёмкая и недешёвая производственная операция – вынужденная мера для обеспечения более сбалансированного и равномерного теплообмена и дополнительной защиты от перегрева.
На данный момент серия HQA представлена модулями с выходными напряжениями 5, 12, 15, 24, 28 и 48 В с максимальной выходной мощностью на 85 и 120 Вт. Модели имеют широкий рабочий диапазон входного напряжения от 9 до 40 В (для 48-вольтовых моделей от 18 до 40 В). При этом модули выдерживают кратковременное перенапряжение до 50 В в течение 1 секунды. По умолчанию функционал преобразователей включает в себя дистанционное включение/выключение, подстройку выходного напряжения с помощью внешнего резистора и функцию удалённой обратной связи для моделей 12 и 24 В. Подстройка выходного напряжения возможна в диапазоне ±10% от номинального значения выходного напряжения. Подстройка напряжения осуществляется внешним резистором или потенциометром, которые подключаются между выводами “Trim” и одним из выводов “Sense”. Дистанционное включение имеет логику отрицательного типа: при сигнале низкого уровня (на выводе “On/Off” относительно вывода “–V”) или при закороченных выводах модуль находится во включённом состоянии, а при высоком уровне сигнала или открытых выводах – соответственно выключается.
Преобразователи HQA имеют также набор всесторонних защит: отключение выхода при превышении максимального напряжения, ограничение выходного тока в условиях перегрузки 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. Принудительного отключения или перезагрузки системы не требуется.
С рекомендуемой схемой подключения к нагрузке можно ознакомиться на рис. 2, а номера выводов и их назначение описаны в табл. 1, они стандартны для форм-фактора Quarter Brick.
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 жёсткости требований по электромагнитной совместимости. А включение в схему PCвкл и Rподстр зависит от того, будут ли задействованы упомянутые выше функции дистанционного включения и подстройки выходного напряжения или нет.
С блок-схемой самого преобразователя можно ознакомиться на рис. 3.
В качестве топологии для модулей выбрана изолированная прямоходовая схема, которая также известна под именем Forward Convertor, но в данном случае здесь добавлена активная схема перезаряда трансформатора (active clamp transformer reset). Такая схема позволяет 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 создаёт обратное направление магнитного потока. Это позволяет снизить вероятность работы трансформатора TR1 в режиме насыщения, уменьшается стресс на главном ключе Q1, а главное, увеличивается общий КПД преобразователя.
Для увеличения надёжности в подобных решениях иногда используется ограничение максимальной скважности импульсов для того, чтобы главный трансформатор работал в своей рабочей зоне, не входя в режим насыщения.
В схеме HQA такая защита обеспечивается с помощью измерения тока намагничивания в цепи Qcl. Такое решение позволяет избежать нежелательных последствий в стабильности работы обратной связи, которые возникают при ограничении регулирования ШИМ-сигнала. Еще одним шагом для повышения надёжности является сигнал о перегреве сердечника и транзистора Q1, который поступает от специального термодатчика и сравнивается с его допустимыми значениями.
Обратная связь и формирование сигнала ШИМ (PWM – Pulse-Width Modu-lation), в отличие от подавляющего большинства импульсных преобразователей, происходит с помощью аналогового микроконтроллера во вторичной части схемы. В первичную часть сигнал проходит через разделительный микротрансформатор TRcont, который позволяет не использовать в схеме оптронные диоды. Это повышает надёжность и стабильность преобразователя, что особенно важно при температурных перепадах и при воздействии радиации.
Эффективность схемы также повышена за счёт замены силовых выпрямителей с пассивного на активный тип, при этом все активные переключатели управляются аналоговыми микроконтроллерами, расположенными в первичной и вторичной частях схемы. Это экономит внутреннее пространство, упрощает архитектуру и минимизирует временны́е задержки. При этом для увеличения надёжности 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).
Модели HQA доступны к заказу с двумя вариантами производственных испытаний на выбор. Они делятся на 2 стандарта: стандартная программа (категория “S”) и программа категории “M” (тестирование повышенной жёсткости). Оба этих процесса испытаний изделий HQA направлены на выявление преждевременных отказов и контроля качества сборки.
При стандартной программе (категория “S”) после прохождения визуальной инспекции каждый модуль проходит высоковольтный тест на прочность изоляции, при котором на его выводы со стороны входа и выхода подаётся 2250 В постоянного тока. После этого во время функционального теста при выходной мощности в 50 Вт и входном напряжении 40 В в температурной камере создаются перепады от 18 до 60°C со скоростью от 15 до 30°C/мин и 18-минутной паузой в крайних точках.
Данный цикл проходит при температуре основания в 100°C в течение 24 часов. Нагрузка и интенсивность охлаждения при этом могут меняться и используются как факторы управляющего воздействия.
Проверка на рабочий температурный диапазон нужна для проверки надёжности запуска преобразователей в крайних точках диапазона. С помощью термопары, закреплённой на теплоотводящей подложке в точке измерения температуры, устанавливают значение –40°C, затем +115°C и подают входное питание в нескольких точках диапазона напряжений.
Программа категории “M” отличается тем, что тренировочный цикл длится 96 часов вместо 24, функциональный тест включает перепады температур, начиная от –20°C вместо +18°C, а запуск при температурных испытаниях происходит при –55°C вместо –40°C. Также она включает дополнительный температурный тест в выключенном состоянии: при этом каждый модуль помещается в камеру и проходит 10 циклов с изменением температуры от –65°C до +100°C со скоростью 30°C/мин и 30-минутной паузой в крайних точках.
В соответствии с испытаниями модули HQA можно заказать в двух опциональных исполнениях: S-Grade и M-Grade (соответственно литеры М и S в обозначении модели). В табл. 2 приведены примеры заказных кодов HQA с их основными параметрами.
Отличие данных исполнений заключается не только в программе заводских испытаний, но и в использовании компонентов, чувствительных к запуску при низких температурах. В M-версиях используются только микросхемы, одобренные производителем для запуска при температуре –55°C.
Серия также прошла испытания по влажности и вибростойкости в соответствии с требованиями MIL-STD-202G (методы 201A и 213B), сертифицирована по стандартам RoHS2, 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 расширенным программам по испытаниям на надёжность и безотказность модули HQA могут легко и успешно встраиваться в серийно выпускаемое промышленное оборудование, транспортные системы, устройства связи, а также в комплексы оборонного назначения. ●
Автор – сотрудник фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru
автоматизация
автоматизация
автоматизация
автоматизация
