Современные неизолированные DC/DC источники питания Murata

После приобретения в 2007 году подразделения силовой электроники C&D Technologies, Inc. компания Murata Manufacturing вошла в число ведущих мировых производителей DC/DC источников питания. Однако ещё до этого приобретения подразделение C&D Technologies Power Electronics Division (PED) уже являлось одним из мировых лидеров в производстве AC/DC и DC/DC источников питания, выпрямителей и зарядных устройств для различных отраслей промышленности. Основатели корпорации C&D Technologies Фрэнк Карлайл и Леон Даути ещё в начале 1900-х годов начали работы по замене газового освещения на электрическое.

В 2006 году PED (г. Мэнсфилд, штат Массачусетс, США) располагала восемью разрабатывающими лабораториями и шестью производственными участками в США, Великобритании и Китае, а число сотрудников превышало 1200 человек. Технологическими партнёрами PED были такие известные производители источников питания, как Vicor, Potentia, Cincon, Power-One. Интересна и история приобретений PED, в числе которых International Power System (1994), Power Convertibles Corporation (1996), Continuum Power, Inc. (1997), Celab Limited (2004), Datel, Inc (2004), в результате этих приобретений, по данным Micro-Tech Consultants, PED стала вторым в мире поставщиком DC/DC-преобразователей.

DC/DC-преобразователи C&D Tech-nologies (см. рис. 1) отличались высокой надёжностью и большим сроком службы, что позволяло использовать их в таких ответственных сферах, как медицинская и военная промышленность.

В каталогах C&D Technologies предлагались десятки серий и тысячи типов DC/DC-преобразователей, многие из которых после 2007 года перешил в каталоги Murata Power Solutions, а ряд приборов присутствуют в каталогах Murata до настоящего времени, например, DC/DC-преобразователи серий NKE, NTE, NME и многие другие.

В Европе корпорация Murata представлена несколькими компаниями, в том числе Murata Power Solutions Ltd (MPS) с головным офисом в Милтон-Кейнс (Великобритания). Продукцию MPS представляют глобальные и региональные дистрибуторы электронных компонентов. В России интересы Murata представляет группа компаний «Симметрон».

В каталогах Murata 2019 года представлена широкая номенклатура DC/DC в двух категориях – неизолированные DC/DC-преобразователи для встраиваемых приложений и системы POL (Point of Load), и изолированные DC/DC-преобразователи различного назначения [1]. Ряд продуктов компании выполнен в соответствии с требованиями стандартов DOSA (Distributed-power Open Standards Alliance) [2]. Кроме Murata Power Solutions, в DOSA входят такие компании, как General Electric Critical Power, Delta Electronics, Emerson Network Power, Ericsson Power Modules, NetPower Technologies, Power-One, TDK-Lambda и другие компании. Альянс выпустил более двух десятков стандартов и спецификаций, в том числе специ-фикации для неизолированных преобразователей напряжения.

Системы распределённого питания POL состоят из нескольких относительно маломощных DC/DC-преобразователей, расположенных рядом с их основными потребителями, в качестве которых обычно выступают цифровые сигнальные процессоры (DSP), программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) различных типов (CPLD, FPGA и др.), специализированные заказные большие интегральные схемы (ASIC), микропроцессоры и микроконтроллеры. Перечисленные типы потребителей отличаются импульсным характером потребления, а современные приборы ещё и низким напряжением питания (от 0,7 В) при больших значениях тока потребления. Для обеспечения надёжной работы устройств с такими потребителями источники питания для них должны обладать высокой эффективностью, стабильностью выходного напряжения при значительных колебаниях тока потребления и малыми пульсациями.

Компания Murata предлагает широкую номенклатуру неизолированных DC/DC-преобразователей (более 140 типов приборов) с фиксированным и регулируемым выходным напряжением. Большинство предлагаемых приборов обеспечивают эффективность более 90%. Классификационные параметры ряда неизолированных DC/DC-преобразователей приведены в таблице, приборы расположены в порядке убывания эффективности (КПД).

Рассмотрим особенности некоторых преобразователей с максимальной эффективностью 95–98% более подробно. Внешний вид рассматриваемых приборов показан на рисунке 2.

MYSGK02506BRSR – понижающий DC/DC-преобразователь напряжения в исполнении MonoBlock POL с выходным током до 6 А. Прибор обеспечивает преобразование напряжения 12,5…42 В в высокостабильное постоянное напряжение, устанавливаемое в диапазоне 5…25 В. Данный преобразователь обеспечивает наивысшую эффективность (98%) среди всех приборов категории неизолированных преобразователей. Этот миниатюрный прибор размерами 14,7×16,2×7,5 мм предназначен для встраиваемых приложений, регулировка выходного напряжения осуществляется одним резистором. Преобразователь оснащён встроенными схемами защиты от коротких замыканий и пониженного напряжения.

Основные параметры прибора:

• входное напряжение должно превышать выходное напряжение в 1,17 раза (U_вх>1,17U_вых);эффективность при U_вх=36 В, U_вых=24 В, I_вых=6 А – 98%;
• фиксированная частота переключения 380 кГц;
• время включения 24 мс;
• уровень пульсаций выходного напряжения не более 50 мВ (от пика до пика);
• диапазон рабочих температур окружающей среды –40…+85°С.

На рисунке 3 приведены типовая схема включения, структура прибора MYSGK02506BRSR и зависимости эффективности преобразователя от выходного тока при U_вых=25 В.

Значение выходного напряжения преобразователя устанавливается резистором RVER. При отсутствии этого резистора выходное напряжение находится в пределах 4,82…5,18 В, при соединении вывода VAR с корпусом (GND) выходное напряжение составляет 24,12…25,88 В.

MYMGK00504ERSR, MYMGK1R804FRSR – понижающие неизолированные преобразователи DC/DC в исполнении MonoBlack POL в миниатюрных корпусах размерами 9×7,5×5 мм с выходным током до 4 А. Приборы могут быть использованы для питания ПЛИС, микропроцессоров и микроконтроллеров, DSP и других потребителей с высоким токопотреблением при низких напряжениях питания.

Основные параметры приборов:

• входное напряжение
  4,5…5,5 В (MYMGK1R804FRSR),
  8…14 В (MYMGK00504ERSR);
• выходное напряжение
  0,7…1,8 В(MYMGK1R804FRSR),
  0,7…5 B (MYMGK00504ERSR);
• эффективность до 96%;
• фиксированная частота переключения 250 кГц;
• время включения/выключения 2,4 мс.

Типовое включение преобразователей и зависимости эффективности от выходного тока при U_вых=3,3 В приведены на рисунке 4.

Установка выходного напряжения приборов осуществляется внешним резистором, подключаемым между выводами Trim и GND. Значения R_trim для некоторых стандартных значений выходного напряжения: 1,2 В – R_Trim=10 кОм; 1,5 В – 6,7 кОм; 1,8 В – 5 кОм; 2,5 В – 3,16 кОм (MYMGK00504ERSR).

Серия OKY-T/3, T/5-W5 включает в себя 4 типа неизолированных DC/DC-преобразователей для систем распределённого питания, выполненных в виде модулей на печатных платах размерами 11,9×20,8×7 мм. Приборы разработаны в соответствии с требованиями стандартов DOSA. Преобразователи обеспечивают выходной ток до 3 А (OKY-T/3-W5N-C, OKY-T/3-W5P-C) и 5 А (OKY-T/5-W5N-C, OKY-T/5-W5P-C) и различную полярностью выходного напряжения (xxxW5N-С, xxxW5P-С).

Основные параметры модулей:

• входное напряжение 2,4…5,5 В (номинальное 5 В), входной ток от 45 мА (без нагрузки) до 2,1 А и 3,5 А;
• выходное напряжение 0,75…3,63 В (устанавливается резистором на выводе Trim);
• отклонения выходного напряжения при изменениях входного напряжения ±0,2%, при изменениях нагрузки ±1,5% (Т/3) и ±1% (Т/5), уровень пульсаций и шумов не более 20 мВ;
• эффективность в зависимости от параметров входного и выходного напряжения 92–96%.

Типовое включение и зависимости эффективности модулей OKY-T/5-W5 от выходного тока при U_вых=1,8 В приведены на рисунке 5.

Значения сопротивлений R_Trim для стандартных выходных напряжений: 1,2 В – 41,973 кОм; 1,5 В – 23,077 кОм, 1,8 В – 15,004 кОм; 2,5 В – 6,947 кОм.

POL-преобразователь OKR-T/6-W12-C с выходным током до 6 А выполнен в виде вертикально ориентированного модуля размерами 16,5×10,4×7,62 мм для установки в отверстия печатных плат.

Основные параметры модуля:

• входное напряжение 4,5…14,0 В, входной ток от 80 мА (без нагрузки) до 2,69 А (при I_вых=6 А);
• выходное напряжение устанавливается внешним резистором R_Trim (см. рис. 5) в пределах 0,59…6,0 В;
• отклонения выходного напряжения при изменениях нагрузки и входного напряжения не более ±0,5%;
• уровень пульсаций и шума не более 30 мВ;
• эффективность в зависимости от режима работы 91–95%.

В серию OKI-78SR-E входят 3 типа не- изолированных DC/DC-преобразователей, выполненных в виде капсул размерами 11,9×10×17,6 мм с фиксированными выходными напряжениями 3,3 В (OKI-78SR-3.3/1.5-W36E-C), 5 B (OKI-78SR-5/1.5-W36-C) и 12 B (OKI-78SR-12/1.0-W36E).

Серия 78SR – неизолированные DC/DC-преобразователи с выходным током 2 А с фиксированными выходными напряжениями: 3,3 В – 78SR-3.3/2-C (вертикальная ориентация 3 выводов), 78SRH-3.3/2-C (горизонтальная ориентация); 5 В – 78SR-5/2-C (вертикальная ориентация), 78SRH-5/2-C (горизонтальная ориентация); 5,2 В – 78SR-5.2/2-C (вертикальная ориентация), 78SRH-5.2/2-C (горизонтальная ориентация). Диапазон входных напряжений всех приборов серии составляет 8…32 В, размеры корпусов – 20,3×21,6×5,7 мм. Преобразователи при невысокой стоимости отличаются большой эффективностью (до 95%) и не требуют внешних фильтрующих конденсаторов. Рассматриваемые приборы специально рассчитаны для замены линейных стабилизаторов серии LM78xxx в 3-выводных корпусах ТО-220. При такой замене не нужны радиаторы охлаждения, без которых микросхемы LM78xxx не могут работать при больших токах.

OKR-T/30-W12-C – мощный неизолированный DC/DC-преобразователь с выходным током до 30 А и регулируемым выходным напряжением 0,59…6,0 В для систем распределённого питания. Преобразователь имеет габариты 30,5×18,1×15,5 мм и обеспечивает работу в диапазоне входных напряжений 5,5…13,8 В.

Основные параметры и особенности прибора:

• частота переключения внутреннего генератора 700 кГц;
• высокая эффективность преобразования до 95%;
• встроенные схемы защиты от перегрузки по току, пониженного напряжения и от перегрева;
• отклонения выходного напряжения при изменениях нагрузки и входного напряжения не более ±0,15%;
• уровень пульсаций не более 25 мВ (от пика до пика);
• диапазон температур окружающей среды 0…+70°С.

Установка значения выходного напряжения прибора осуществляется внешним резистором R_Trim (см. рис. 5), сопротивление которого для стандартных напряжений: 1,2 В – 1940 Ом; 1,5 В – 1300 Ом; 1,8 В – 978 Ом; 2,5 В – 619 Ом; 3,3 В – 436 Ом.

В состав серии OKL2-T/12-W12 входят 2 типа DC/DC-преобразователей для систем распределённого питания с выходным током 12 А и различной полярностью выходного напряжения (OKL2-T/12-W12P2-C и OKL2-T/12-W12N2-C). Преобразователи вы-полнены в форм-факторе LGA с габаритами 20,32×11,44×8,55 мм. Приборы оснащены схемой защиты от коротких замыканий, пониженного напряжения, перегрева и от превышения тока нагрузки.

Основные параметры преобразователей:

• диапазон входных напряжений 4,5…14,0 В, входной ток от 30 мА (без нагрузки) до 5,2 А при полной нагрузке (I_вых=12 А);
• регулируемое выходное напряжение 0,69…5,5 В;
• частота переключения внутреннего генератора 400 кГц;
• изменения выходного напряжения при колебаниях нагрузки и входного напряжения не более ±0,4%;
• уровень пульсаций и шума не более 40…60 мВ (в зависимости от величины выходного напряжения).

Эффективность преобразователей зависит от величин входного и выходного напряжения, тока нагрузки. Зависимости эффективности приборов от тока нагрузки при различных входных и выходных напряжениях приведены на рисунке 6.

MYGTM0242EBZF – неизолированный понижающий DC/DC-преобразователь с фиксированным выходным напряжением 24 В и током до 2,5 А. Структура прибора приведена на рисунке 7.

На данном рисунке также приведены: зависимости эффективности преобразования от тока нагрузки, допустимого тока нагрузки от температуры окружающей среды и уровня пульсаций выходного напряжения от тока нагрузки преобразователя.

Основные параметры прибора:

• диапазон входных напряжений 30…40 В;
• выходное напряжение 23,8…24,72 В, максимальный постоянный выходной ток 2,5 А, импульсный ток нагрузки 4 А при t_имп=600 мс;
• уровень пульсаций в полосе 20 МГц при U_вх=37 В и токе нагрузки 2,5 А составляет 80 мВ (от пика до пика).

OKX-T/5-W5-C – неизолированный POL понижающий DC/DC-преобразователь с выходным током до 5 А и регулируемым выходным напряжением 0,7525…3,366 В, разработанный в соответствии с требованиями стандартов DOSA. Прибор выполнен в форм-факторе SIP с размерами 10,16×22,86×7,16 мм. Входное напряжение 2,4…5,5 В, входной ток от 20 мА (без нагрузки) до 3,474 А, эффективность 92–95%.

В серию OKI-T/36W-W40 входят 2 прибора с одинаковыми параметрами, но с различной полярностью выходного напряжения (OKI-T/36W-W40P-C и OKI-T/36W-W40N-C). Приборы разработаны в соответствии с требованиями стандартов DOSA. Преобразователи обеспечивают выходное напряжение, регулируемое в пределах 5,02…15,5 В при входном напряжении 19…40 В, выходной ток до 3 А. Эффективность преобразования составляет 93–95%, уровень пульсаций не превышает 50 мВ, нестабильность выходного напряжения не более ±0,3% во всём диапазоне токов нагрузки и входных напряжений. Габариты приборов в форм-факторе SMT 11,9×20,8×8,5 мм.

Серии OKY-T/10 и T/16-W5 – неизолированные POL DC/DC-преобразователи для встраиваемых приложений, разработанные в соответствии с требованиями стандартов DOSA. В состав рассматриваемой серии преобразователей входят 8 типов модулей с выходным током 10 А (OKY/OKY2-T/10-W5P/N-C) и 16 А (OKY/OKY2-T/16-W5P/N-C) и различной полярностью выходного напряжения. Все модули обеспечивают регулируемое выходное напряжение в пределах 0,7525…3,63 В, диапазон входных напряжений 2,4…5,5 В.

Основные параметры приборов:

• входной ток от 80 мА (без нагрузки) до 7,58 А (Т/10) и 11,12 А (Т/16);
• эффективность 92–95%;
• нестабильность выходного напряжения не более ±0,2% при изменениях входного напряжения и ±1% при изменениях тока нагрузки;
• уровень пульсаций и шума не более 20 мВ (Т/10) и 50 мВ (Т/16).

Внешний вид преобразователей, а также зависимости эффективности от тока нагрузки и выходного тока приборов OKY/OKY2-T/16-W5P-C от температуры при U_вых=1,8 В приведены на рисунке 8.

Кроме DC/DC-преобразователей, приведённых в таблице, Murata Power Solutions выпускает целый ряд не- изолированных приборов для систем распределённого питания промышленного назначения с выходной мощностью от 1,65 до 180 Вт с регулируемым и фиксированным выходным напряжением. 

Литература

1. https://power.murata.com/products/DC/DC-converters/single-output-non-isolated.html
2. http://www.dosapower.com

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!