Модули фильтрации и защиты от перенапряжений для питающих сетей постоянного тока

Введение

Функционально-модульное проектирование систем электропитания позволяет снизить затраты на проектирование и повысить надёжность и качество электрического питания. Широкое внедрение модульных принципов построения радиоэлектронных средств коммерческого, общепромышленного и специального назначения является основой создания современных источников вторичного электропитания в виде стандартных электронных модулей, надёжно работающих в условиях воздействия импульсных помех и перенапряжений.

Для подавления помех во входных и выходных цепях импульсных источников питания используются встроенные помехоподавляющие фильтры. Но для различной радиоэлектронной аппаратуры нормируются разные допустимые уровни помех, поэтому экономически нецелесообразно встраивать в источники питания фильтры, подавляющие помехи до самого низкого уровня. Если же эффективности встроенного фильтра недостаточно, можно использовать внешние фильтры.

Многие ведущие зарубежные и российские компании, выпускающие универсальные модули питания, разрабатывают и помехоподавляющие фильтры, которые предназначены для совместного использования. Компания XP Power выпускает модули фильтров для широкого диапазона токов, удовлетворяющие высоким требованиям стандартов подавления радиопомех. Некоторые модули фильтров снабжены варисторами для ограничения выбросов напряжения. Модули фильтров и ограничители импульсных напряжений XP Power предназначены для применения с DC/DC-преобразователями серии MTC, которые соответствуют требованиям военных стандартов по стойкости к внешним воздействующим факторам и помехоустойчивости, а также для использования с преобразователями промышленного класса.

Модуль помехоподавляющего фильтра и защиты от импульсных помех MTF50

Помехоподавляющий фильтр MTF50 разработан для систем электропитания авиационной аппаратуры и наземной аппаратуры специальной техники. Это изделие характеризуется широкими функциональными возможностями и обеспечивает экономический эффект от применения компонентов, доступных на коммерческом рынке (Commercial Off-The-Shelf, COTS). Модуль MTF50 предназначен для ослабления кондуктивных помех, создаваемых в цепях питания и коммутации постоянного тока радиоэлектронной аппаратуры DC/DC-преобразователями серии MTC, и для защиты от воздействия кондуктивных помех, определённых стандартом MIL-STD-461E, а также выбросов напряжения и импульсных помех, заданных стандартами MIL-STD-1275A-D и MIL-STD-704A-F. Структурная схема модуля MTF50 показана на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема модуля фильтрации MTF50

Модуль MTF50 имеет четыре встроенных конденсатора типа Y, подключённых к выводу 3 (см. рис. 2).

Рис. 2. Схема включения четырёх конденсаторов типа Y внутри модуля MTF50

В зависимости от назначения и конфигурации системы, этот вывод может быть соединён с корпусом (Case), выводом –Vin, либо оставлен не подключённым. Типовая схема применения модуля MTF50 приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Типовая схема применения модуля фильтрации MTF50

Внешний вид модуля MTF50 показан на рисунке 4.

Рис. 4. Внешний вид модуля фильтрации MTF50

Функциональные узлы и элементы модуля размещены в металлическом корпусе с размерами 40,0 × 26,0 × 12,7 мм. Корпус обеспечивает защиту функциональных узлов и элементов модуля от механических повреждений, а также эффективный отвод тепла во внешнюю среду. Корпус модуля герметизирован компаундом, что гарантирует целостность изделия и успешное прохождение испытаний на стойкость к воздействию соляного (морского) тумана [1], а также других видов климатических факторов. Кроме того, компаунд имеет хорошую теплопроводность.

Таблица 1. Стойкость модуля MTF50 к внешним воздействующим факторам

Таблица 2. Технические характеристики модуля MTF50

Показатели стойкости модуля MTF50 к внешним воздействующим факторам и его технические характеристики приведены в таблицах 1 и 2, соответственно. Значения среднего времени наработки на отказ (MTBF), вычисленные для различных условий эксплуатации по стандарту MIL-HDBK-217F, приведены в таблице 3.

Таблица 3. Вычисленные значения MTBF (часы) модуля MTF50

Схема соединения модуля MTF50 с DC/DC-преобразователями серии MTC показана на рисунке 5.

Рис. 5. Схема соединения модуля MTF50 с DC/DC-преобразователями серии MTC для обеспечения электромагнитной совместимости

На рисунке 6 приведены спектрограммы помех для модуля DC/DC-преобразователя MTC1528S12 с применением модуля фильтрации MTF50 (б) и без него (а).

Рис. 6. Спектрограммы помех на входе модуля DC/DC-преобразователя MTC1528S12: а) без модуля MTF50; б) на входе модуля MTF50 при использовании с MTC1528S12 (нормированная кривая CE102 по MIL-STD-461E)

Видно, что в последнем случае не обеспечивается уровень подавления помех, требуемый стандартом (красная линия).

В статье [2] рассмотрены особенности применения модуля MTF50 совместно с модулем поддержания напряжения MTH100 и DC/DC-преобразователями серии MTC в авиационном и специальном наземном оборудовании с целью сохранения работоспособности электронной системы при кратковременном снижении напряжения входной шины.

Модуль активной защиты от перенапряжений и фильтрации DSF226

Модуль фильтрации и активной защиты от перенапряжений DSF226 обеспечивает защиту DC/DC-преобразователей в соответствии с требованиями военного стандарта DEF-STAN-61-5 в сети постоянного напряжения 28 В. Он герметизирован в металлическом корпусе и способен обеспечить на выходе мощность до 200 Вт. По стойкости к воздействиям импульсов напряжений DSF226 соответствует требованиям военного стандарта DEF-STAN-61-5 part 6 (issue 6) (Великобритания), а также MIL-STD1275A-D, DEF-STAN-59-411 и MIL-STD-461C, регламентирующих уровни излучаемых помех и показатели стойкости к воздействию импульсных помех для аппаратуры транспортных средств и авионики.

Модуль DSF226 обеспечивает активное подавление перенапряжений при полной мощности 200 Вт в диапазоне рабочих напряжений от 15 до 33 В, включая кратковременные (1 с) понижения напряжения до 10 В. Выходной канал отслеживает входное напряжение и фиксирует его на уровне 36 В. Модуль DSF226 способен функционировать в диапазоне температур –40…+100°C на основании корпуса. Выходной сигнал превышения температуры корпуса может использоваться для мониторинга или отключения выхода фильтра.

Модуль DSF226 предназначен для совместного применения с DC/DC-преобразователями серий MTC, QSB и ICH, а также может быть объединён с преобразователями серий J (диапазон входного напряжения 4:1) для обеспечения разнообразных выходных каналов. Габаритные размеры модуля 56,1 × 36,8 × 12,9 мм, вес 75 г. Внешний вид модуля DSF226 показан на рисунке 7.

Рис. 7. Внешний вид конструкции модуля активной защиты и фильтрации DSF226

Типовые схемы включения модуля DSF226 приведены на рисунках 8 и 9.

Рис. 8. Схема включения модуля DSF226 вместе с модулем DC/DC-преобразователя серии MTC50 для обеспечения соответствия требованиям стандарта DEF-STAN 59-411 (стандарт МО Великобритании; измерение уровня помех осуществляется в дБ/мкВ с применением LISN – Line Impedance Stabilization Network (схемы стабилизации импеданса шины), и датчика тока)

Рис. 9. Схема включения модуля DSF226 для обеспечения соответствия требованиям стандарта MIL-STD-461E (измерения уровня помех осуществляется в дБ/мкВ с применением эквивалента LISN)

Модуль фильтрации и защиты от выбросов напряжения DSF100

Модуль активной защиты от электромагнитных помех и кратковременных выбросов напряжения DSF100 разработан для применения на входах DC/DC-преобразователей. Он может применяться с COTS-преобразователями серии MTC или DC/DC-преобразователями промышленного класса компании XP Power. Применение модуля DSF100 позволяет создать систему питания, которая соответствует требованиям стандартов MIL-STD-1275A-D (регламентирует помехоустойчивость аппаратуры специального наземного транспорта) и MIL-STD-461F. Модуль снабжён защитой от длительного обратного напряжения, входом дистанционного включения/выключения и защитой от перегрева. Максимальное значение тока, протекающего через модуль, составляет 3,7 A, максимальная мощность – до 100 Вт. Типичное значение КПД равно 98%. Диапазон рабочих температур –40…+100°C на основании корпуса. Габаритные размеры модуля 4,9 × 31,9 × 13,2 мм, вес 50 г. На рисунке 10 показан внешний вид модуля DSF100.

Рис. 10. Модуль защиты от импульсных помех DSF100

Для повышения эффективности работы модуля в схеме защиты от обратной полярности входного напряжения, вместо традиционных последовательно включённых диодов используется МОП-транзистор (см. рис. 11).

Рис. 11. Встроенные защиты от обратной полярности и ослабления импульсных помех в модуле DSF100

Модуль также защищён от выбросов напряжения с помощью варистора (M1).

На рисунке 12 приведена схема включения модуля DSF100 с целью подавления кондуктивных помех, генерируемых 30-Вт DC/DC-преобразователем MTC3028S15, до уровней, регламентируемых стандартом MIL-STD-461E (нормированная кривая CE102).

Рис. 12. Схема включения модуля DSF100 с DC/DC-преобразователем MTC3028S15 для обеспечения ограничения кондуктивных помех по норме CE102

Спектрограмма помех для этой схемы включения приведена на рисунке 13.

Рис. 13. Спектрограмма помех для схемы включения DSF100 вместе с MTC3028S15

Модуль защиты от импульсных перенапряжений DSF500

Модуль защиты от перенапряжений микросекундной длительности DSF500 предназначен для применения с DC/DC-преобразователями промышленного класса и обеспечивает соответствие требованиям стандартов MIL-STD-461F, DEF-STAN 59-411, MIL-STD 1275A-D и DEF-STAN 61-6 Part 6 по устойчивости к кондуктивным импульсным помехам большой энергии. Для обеспечения требований электромагнитной совместимости рекомендуется совместное применение DSF500 с модулем фильтрации FSO461. Это обеспечивает соответствие стандарту MIL-STD-461F по уровню кондуктивных помех и помехоустойчивости.

В таблице 4 приведены сведения об электромагнитной совместимости и помехоустойчивости модуля DSF500.

Рис. 14. Модуль ограничения выбросов напряжения DSF500 (а) и фильтр FSO461 (б)

На рисунке 14 показан внешний вид модуля DSF500 и фильтра FSO461. На рисунке 15 приведена схема включения модуля DSF500 совместно с DC/DC-преобразователем серии ICH (XP Power).

Рис. 15. Схема включения модуля DSF500 с DC/DC-преобразователем серии ICH

Здесь для ограничения кондуктивных помех по норме CE102 на входе используется двухзвенный LC-фильтр, который подавляет симметричные и несимметричные помехи. Схема соединений модулей DSF500 и FSO461 с преобразователем напряжения приведена на рисунке 16.

Рис. 16. Схема соединений модуля DSF500 и фильтра FSO461 с DC/DC-преобразователем

Измеренные напряжения помех на входе схемы с модулем DSF500 и дополнительным фильтром иллюстрирует график на рисунке 17 (нормированное значение CE102 по MIL-STD461E).

Рис. 17. Спектрограмма помех на входе схемы с модулем DSF500 и помехоподавляющим фильтром

Заключение

Для обеспечения жёстких требований стандартов подавления радиопомех большинство DC/DC-преобразователей следует использовать с внешними модулями фильтров. Применение компактных фильтров с высоким коэффициентом подавления позволяет оптимизировать габаритные размеры распределённых систем электропитания, поэтому спрос на такие фильтры с каждым годом увеличивается. Производители модулей фильтрации и защиты от импульсных помех постоянно совершенствуют конструкцию модулей, внедряя современные магнитные материалы и конденсаторы.

Литература

Test Report 006462_01_H. KRIWAN Testzentrum GmbH & Co. KG MTC DC-DC Converter and DSF-Filter. December. 26. 2006.
Жданкин В.К. Модуль поддержания напряжения уменьшает ёмкость буферного конденсатора на 80%. Силовая электроника. № 1. 2011.
Жданкин В.К. DC/DC-преобразователи для военных систем: гибридная технология или технология поверхностного монтажа на печатную плату? Современная электроника. № 4. 2008.

Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!