ООО ЭФО
Поиск по складу
Программа поставок 2016
Сегодня
www.powel.ru
источники питания
www.korpusa.ru
конструктивы и корпуса РЭА
www.wless.ru
беспроводные технологии
www.mymcu.ru
микроконтроллеры
altera-plis.ru
микросхемы Altera
www.infiber.ru
волоконно-оптические
компоненты в
промышленности
www.efo-power.ru
силовая электроника
www.efo-electro.ru
электротехническая
продукция
www.efometry.ru
контрольно-измерительные приборы
www.golledge.ru
кварцевые резонаторы и генераторы Golledge
www.sound-power.ru
профессиональные усилители класса D
Поиск по сайту
Подписка на новости

Система менеджмента
качества сертифицирована на соответствие требованиям:
ISO 9001, ГОСТ Р ИСО 9001 и СРПП ВТ - подтверждено сертификатами соответствия в системах сертификации Русского Регистра, ГОСТ Р, международной сети IQNet, "Оборонсертифика" и "Военный Регистр".

ООО "ЭФО" в 2011г. получило Лицензию Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору на изготовление оборудования для ядерных установок.


Rambler s Top100



ChipFind - поисковая система по электронным компонентам
EEN
webmaster
Санкт-Петербург: (812) 327-86-54  zav@efo.ru Москва: (495) 933-07-43  moscow@efo.ru Екатеринбург: (343) 278-71-36  ural@efo.ru Пермь: (342) 220-19-44  perm@efo.ru
Казань: (843) 518-79-20  kazan@efo.ru Ростов-на-Дону: (863) 220-36-79  rostov@efo.ru Н. Новгород: (831) 434-17-84  nnov@efo.ru Новосибирск: (383) 286-84-96  nsib@efo.ru
о нас склад библиотека статьи
 
Практические рекомендации по применению DC/DC-конверторов компании Vicor

Владимир Белотуров
Журнал "Электронные компоненты" №6 2006г.

Данная статья дополняет материал, опубликованный в "ЭК" №6, 2005, более подробной информацией о принципах работы, дополнительных функциях и возможностях, реализованных в DC/DC-конвертерах американской компании Vicor Corp.

В настоящее время разработчики предъявляют повышенные требования при выборе источника вторичного электропитания. Помимо выполнения своей основной функции, современный источник питания должен обладать следующим набором дополнительных качеств:

  • максимальной плотностью мощ ности и, соответственно, минималь ными габаритами;
  • высоким КПД;
  • электромагнитной совмести мостью;
  • высокой надежностью;
  • широким рабочим температур ным диапазоном;
  • устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям;
  • развитыми защитными и сер висными функциями.

Продукция компании Vicor обладает всеми перечисленными свойствами и находится на уровне лучших мировых образцов. Следует отметить, что все модули компания производит серийно. Они доступны для заказа в количестве от одного экземпляра. Исключение составляет только линейка специальной продукции (серия М1-ххх), на которую требуется разрешение на применение от Госдепартамента США. Однако компания Vicor производит не только дорогостоящую военную продукцию. Помимо нее, она выпускает вполне конкурентоспособные по цене преобразователи. При этом изделия Vicor обладают рядом достоинств и преимуществ: малыми габаритами, низким уровнем шумов и помех, надежностью, удобной конструкцией. Это достигается благодаря использованию оригинальных схемотехнических решений и предовых технологических процессов. Основные параметры DC/DC-конвертеров Vicor представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры DC/DC-конверторов компании Vicor
Тип конвертера Мощность, Вт Размеры, мм Входное напряжение (диапазон изменения), В Выходное напряжение, В Температурный диапазон эксплуатации, oС
1-е поколение: VI-2xx; Booster: VI-Bxx 50; 75; 100; 150; 200 117x61х12,7 12(10.20), 24(18.36), 48 (36.76), 72 (55..100), 110 (66..160), 150 (100.15;18,5;24;28 300 (200..400), 300 (100...375) 2; 3,3; 5; 5,2; 5,5; 5,8; 6,5; 7,5; 10; 12; 13,8; 15; 18,5; 24; 28; 36; 40; 48; 52; 72; 85; 95 E: -10.85, C: -25.85,
I: -40.85, M: -55.85
1 -е поколение: VI-Jxx 25; 50; 75; 100 58x61х12,7
2-е поколение: Vxxxx     24 (18.36), 48 (36.76), 300 (180.375), 375 (250.425) 2; 3,3; 5; 12; 15; 24; 28; 48 E: -10.100, C: -25.100,
T: -40.100 (хранение: -40.125),
H: -10.100 (хранение: -55.125),
М: 55.100
Maxi До 600 117х56х12,7
Mini До 300 58х56х12,7
Micro 50.150 58х37х12,7
Электрическая прочность изоляции (для модулей 2-го поколения):
  • вход/выход
  • вход/основание
  • выход/основание
3000 В
1500 В
500 В

При выборе источника питания разработчику помимо сведений об основных параметрах желательно иметь наиболее полную информацию о всех его свойствах и возможностях. Это позволяет выбрать оптимальный вариант, избежать досадных ошибок и сократить время на разработку.

Особенности схемотехнических решений

Конвертеры постоянного напряжения компании Vicor выполнены по квазирезонансной схеме прямохо-дового преобразователя (см. рис. 1). В отличие от большинства приборов других производителей, в конвертерах Vicor реализован метод частотно-импульсной модуляции (ЧИМ), при котором переключение силового транзистора Q1 из закрытого состояния в открытое происходит при нулевом значении протекающего через него тока. Схема запатентована компанией Vicor и получила название ZCS (Zero Current Switch Topology). Резонансный контур образован индуктивностью рассеяния трансформатора Т1 и дополнительной емкостью С1. Отрицательная полуволна синусоиды "отсекается" диодом D1.

Рис 1. Упрощенная принципиальная электрическая схема DC/DC-конвертеров Vicor 2-го поколения: ОТ - OverTemperature - защита от перегрева, OVLO - Over Voltage Lockout - защита от перенапряжения на входе, UVLO - Under Voltage Lockout - защита от низкого напряжения на входе, VCC - питание микросхемы, SW - switch - сигнал управления коммутирующим транзистором, RST - reset - сброс, FB - FeedBack - обратная связь, OVP - Over Voltage Protection - защита от перенапряжения на выходе

Таким образом, на конденсаторе С1 формируются импульсы положительной полярности - "кванты" энергии величиной CV2/2. Длительность этих импульсов составляет 400...500 нс. Регулирование выходного напряжения осуществляется путем изменения числа "квантов" (частоты следования), а не длительности импульсов, как в схемах с широтно-импульсной модуляцией (см. рис. 2). Выходная мощность ZCS-преобразователя в первом приближении описывается выражением Рвых = KfLI2, где L - индуктивность резонансного контура, f - частота преобразования, I - ток в нагрузке, К - коэффициент пропорциональности. Частота импульсов зависит от мощности в нагрузке, входного напряжения и может изменяться от сотни килогерц на холостом ходу до 1,5 МГц при минимальном входном напряжении и максимальной мощности в нагрузке.

  ZCSШИМ
Т1 - время открытого состояния коммутирующего транзистора Фиксированное Переменное
Т2 - период следования Переменное Фиксированное
ТЗ - время нарастания и спада тока в коммутирующем транзисторе Фиксированное Фиксированное
Рис 2. Сравнение методов преобразования ZCS и ШИМ

Компания Vicor выпускает DC DC-конвертеры двух поколений. Основные их различия заключаются в том, что в преобразователях 2-го поколения:

  • для гальванической развязки в цепи обратной связи применен транс форматор ТЗ вместо оптопары;
  • схемы управления (контролле ры на первичной и вторичной сторо не) выполнены в виде специализиро ванных интегральных микросхем, а не на дискретных элементах;
  • введена схема защиты по мини мальному входному напряжению UVLO (Under Voltage LockOut);
  • применена схема активно го демпфирования (active clamping scheme) - узел на транзисторе Q2 (см. рис. 1). С ее помощью на истоке транзистора Q1 формируется напря жение, величина которого может при ближаться к входному, и, таким обра зом, переключение транзистора Q1 в определенных режимах происхо дит при нулевом напряжении сток - исток (ZVS, Zero Voltage Switching).

В результате КПД преобразователей возрастает на несколько процентов.

Благодаря использованию резонансной схемы с ЧИМ компании Vicor удалось значительно уменьшить размеры модулей и достичь удельной мощности 7000 Вт/дм3, что в настоящее время является лучшим параметром для серийных DC/DC-KOH-вертеров. Еще одним достоинством резонансной схемы по сравнению с ШИМ является существенное (на 20...40 дБ) снижение уровня шумов и помех. Причем значимые по амплитуде гармоники занимают диапазон частот до 5 МГц, в то время как для ШИМ-преобразователей спектр гармоник простирается до 30...50 МГц из-за крутых фронтов при переключении (см. рис. 3). Кроме этого, в конвертерах Vicor достигнуты отличные показатели стабильности выходного напряжения и реализована возможность его подстройки в широких пределах - от 10 до 110% от номинального значения Uвых.

Рис 3. Спектры шумов при методах преобразования ZCS (а) и ШИМ (б)

Сервисные и защитные функции

В конвертерах Vicor заложены все сервисные и защитные функции, свойственные современным DC/DC-преобразователям самого высокого уровня качества.

  1. Защита от входного перенапря жения (OVLO, Over Voltage LockOut) активируется при превышении Uвх на 10 - 15% от нормированного Uвх.макс в течение 100 мс и более. Например, для преобразователя с Uвх = 48 В напряжение Uвх.макс составляет 82,5 В, для преобразователя с Uвх = 300 В, Uвх.макс составляет 400 В.
  2. Защита от пониженного вход ного напряжения (UVLO, Under Voltage LockOut) включается при снижении Uвх на 10 - 15% ниже мини мального рабочего напряжения Uвх.мин. Алгоритм включения/выключения модулей показан на рисунке 4 на примере 48-В прибора.

    Рис. 4 Алгоритм включения/выключения модуля с номинальным входным напряжением 48 В

    При подаче напряжения модуль включается (появляется напряжение на выхо де) скачком, поэтому организовать режим "мягкого" включения плав ным увеличением входного напря жения невозможно. У модулей 1-го поколения такая защита отсутствует, включение также происходит скач ком, но пороговое напряжение не нормируется. Следует отметить, что, несмотря на "резкое" включение, на выходе преобразователей отсутству ют переходные отклонения напря жения во всем диапазоне нагрузок (от холостого хода до максимальной мощности).
  3. Защита от перенапряжения на выходе (OVP - Over Voltage Protection). Появление на выходе напряжения, превышающего Uвых на 15%, считается аварийным сбоем в системе питания или в самом модуле. Поэтому, во избежание повреждения модуля, он находится в отключенном состоянии 1...3 минуты.
  4. Защита от перегрузки и корот кого замыкания на выходе активируется при превышении выходного тока на 5 - 20% от номинального зна чения. При этом выходное напряже ние снижается, а ток остается посто янным, что ограничивает выходную мощность. При коротком замыкании напряжение на выходе составляет 250 мВ.

    Защиту от перегрузки необходимо учитывать при использовании преобразователей с регулировкой выходного напряжения ниже номинального. При снижении Uвых пропорционально будет снижаться и мощность, которую может обеспечить модуль. Защита может срабатывать при подключении большой емкостной нагрузки из-за импульсного потребления тока. Допустимую для нормального запуска конвертера емкость на выходе можно оценить по формуле: С = 4*10-4Iвых/Uвых.

    Пример: на выходе 12-В модуля с током нагрузки 15 А можно установить конденсатор емкостью до 500 мкФ.

    При питании емкостной нагрузки с импульсным потреблением надо применять дополнительные меры по ограничению пускового тока, чтобы его значение не выходило за предел, определяемый защитой от перегрузки.

  5. Защита от перегрева активи руется при нагреве алюминиевого основания корпуса свыше 100oС для модулей 2-го поколения и свыше 85oС для модулей 1-го поколения. При этом температура отдельных элементов внутри корпуса может достигать 130oС.

При срабатывании любой из перечисленных защит ( кроме OVP) модуль пытается запуститься с интервалом 2...20 мс и автоматически переходит во включенное состояние после устранения причин, вызвавших срабатывание защиты.

Дистанционное включение/выключение модуля можно осуществить через вывод PC (Primary Control), подавая на него сигнал логического уровня 0/5 В. Этот вывод можно использовать и как индикатор состояния модуля. Во включенном состоянии на выводе PC присутствует напряжение 5,7 В (нагрузочная способность до 3 мА). При срабатывании систем защиты на выводе PC появляются прямоугольные импульсы амплитудой 5,7 В и длительностью 40 мкс с периодом следования 2...20 мс.

Если модуль отключить через вывод PC и не снимать входное напряжение, то он находится в ждущем режиме (standby) и переходит во включенное состояние за 1...3 мс. Время установления выходного напряжения при подаче входного напряжения без использования ждущего режима составляет несколько десятков миллисекунд.

Регулировка выходного напряжения

Конвертеры Vicor 2-го поколения допускают регулировку выходного напряжения в пределах 10-110% от номинального, при этом для моделей с выходным напряжением 2 В и 3,3 В минимальное напряжение составляет 0,5 В. Часть схемы преобразователя, поясняющая функционирование узла регулировки выходного напряжения, приведена на рисунке 5.Может быть осуществлена как установка постоянного Uвых путем добавления резистора между положительным или отрицательным выходами модуля и выводом SC, так и динамическая регулировка с заведением обратной связи через буферный операционный усилитель или переменный резистор. Время установления Uвых при изменении напряжения на выводе SC составляет несколько миллисекунд. При соединении вывода SC с выводом -Out схема управления отключается, и модуль переходит в режим повторителя напряжения (усилитель тока) с управлением по выводу PR от задающего (driver) модуля. Такое включение используется при параллельном включении нескольких однотипных модулей для увеличения суммарной выходной мощности системы питания.

Рис. 5 Схема узла регулировки выходного напряжения

Вывод SC можно использовать и для организации режима "мягкого" запуска, например подключив конденсатор небольшой емкости между выводами SC и -Out.

Измерительные входы + Sense и -Sense предназначены для компенсации падения напряжения на проводниках, идущих от модуля к нагрузке. Допускается компенсация падения напряжения до 0,25 В на каждом проводе. При использовании выводов SC, +Sense, -Sense следует учитывать их высокую чувствительность к помехам и отсутствие защиты от перенапряжения и напряжения обратной полярности, что может привести к нестабильной работе и срабатыванию защиты OVP. Поэтому рекомендуется применять дополнительные защитные элементы и шунтирующие конденсаторы между выводами SC, +Sense, -Sense и выходами модуля. При значительной длине проводников, идущих к измерительным входам, их следует выполнять витой парой.

Параллельное включение модулей

Для увеличения мощности или создания системы питания с резервированием в DC/DC-конвертерах Vicor достаточно просто реализована возможность их параллельного включения. Для преобразователей 1-го поколения используются один ведущий модуль и дополнительные модули (booster), не имеющие схемы управления по вторичной стороне.

Модули 2-го поколения соединяются параллельно через выводы PR. При этом осуществляется синхронизация рабочей частоты всех модулей системы и, как следствие, равномерное (с точностью 2 - 5%) распределение мощности по модулям.

При параллельном соединении выводов PR следует учитывать следующие особенности: преобразователи являются высокочастотными приборами, синхронизирующие импульсы имеют длительность около 20 нс. Поэтому вход PR чувствителен к помехам, которые могут приводить к нестабильности работы. Для обеспечения устойчивой и надежной работы системы надо соблюдать следующие рекомендации: модули должны располагаться как можно ближе друг к другу, соединение входных выводов следует выполнять медными проводниками достаточного сечения, между входными выводами следует установить керамический или пленочный конденсатор емкостью 0,2 мкФ, каждый вход зашунтиро-вать конденсатором на основание модуля. Полоса пропускания шины, соединяющей выводы PR, должна быть не менее 60 МГц, ослабление сигнала не более 2 дБ. В большинстве случаев этим требованиям удовлетворяет соединение через разделительный импульсный трансформатор Vicor P/N22400.

Рекомендации по применению модулей

При выборе импульсных источников питания часто ключевым соображением для разработчика является уровень шумов и помех, генерируемых такими устройствами. Кроме того, уровень допустимого шумового фона определяется чувствительностью разрабатываемой аппаратуры и существенно зависит от конструктивного исполнения источника питания.

Данный аспект применительно к конвертерам Vicor освещен в [2]. Как уже отмечалось, благодаря использованию технологии ZCS модули Vicor генерируют существенно меньше помех по сравнению с ШИМ-пре-образователями. Модули содержат внутренний LC-фильтр и удовлетворяют нормам стандарта EN55022(A). При необходимости более эффективного подавления помех можно применить дополнительные фильтры или использовать модули фильтров компании Vicor серий IAM, FIAM и QPI, которые защищают также и от выбросов сетевого напряжения. Помехи, излучаемые преобразователями Vicor в пространство, незначительны по величине и могут быть эффективно подавлены экранированием модулей. Конвертеры 2-го поколения имеют встроенный экран.

Высокочастотные пульсации выходного напряжения, как правило, имеют размах менее 2% от Uвых в частотном диапазоне до 30 МГц. Коэффициент ослабления выходных пульсаций с сетевой частотой можно оценить по формуле: K=30+20log(Uвх/Uвых) [дБ].

Пример: для модуля с входным напряжением 300 В и выходным 5 В коэффициент ослабления составит 65,56 дБ. При ЗОВ пульсациях на входе пульсации выходного напряжения составят 15,8 мВ.

Дополнительно уменьшить величину пульсаций и уровень шумов можно, применив специализированные модули выходных фильтров компании Vicor серий VI-Ram, MicroRam и QPO.

Тепловой режим модулей Vicor

Как известно, от теплового режима модуля существенно зависит надежность его работы. Основным параметром для расчета тепловых характеристик является КПД. У конвертеров Vicor коэффициент полезного действия составляет 82 - 92% в зависимости от типа модуля, и он слабо зависит от режима работы (см. рис. 6), что также является их немаловажным достоинством. Тепловой расчет можно произвести при помощи интерактивного интернет-калькулятора [3]. На рисунке 7 показан пример такого расчета для модуля с выходной мощностью 600 Вт, снабженного радиатором с ребрами высотой 23 мм, при различных интенсивностях обдува воздухом.

Рис. 6 Зависимость КПД преобразователя от входного напряжения и нагрузки
(пример для модуля с UBX = 48 В, ивых = 48В, мощностью 500 Вт)

Рис. 7 Пример интернет-расчета теплового режима для модуля мощностью 600 Вт, с радиатором, имеющим ребра высотой 23 мм, для различных интенсивностей обдува (LFM - линейные футы в минуту - характеристика потока воздуха через теплоотвод, определяется производительностью вентилятора и конструкцией радиатора, LFM = CFM/S, где CFM - кубические футы в минуту - производительность вентилятора, S - площадь сечения теплоотвода)

Рекомендации по монтажу и пайке

Компания Vicor настоятельно рекомендует монтировать модули на печатные платы, а не припаивать провода и дополнительные компоненты непосредственно к выводам модуля. Данное требование связано с тем, что выводы модулей имеют диаметр 2...4 мм и при их пайке в модуле могут возникнуть внутренние механические напряжения или повреждения, вызванные локальным перегревом. Впоследствии это может привести к отказу модуля. Для обеспечения высокой надежности и устойчивости конструкции к вибрационным нагрузкам и ударам рекомендуется крепить модули к печатной плате через ограничительные стойки.

Кроме отдельных модулей Vicor серийно производит законченные AC/DC-, DC/DC-источники питания мощностью 25...2400 Вт (семейства FlatPac, LoPac, MegaPac, ComPac, VIPac). Параметры этих источников питания определяются требованиями заказчика, и в них учтены все вышеизложенные рекомендации.

Литература

  1. Белотуров В. DC/DC-конвертеры компании Vicor // Электронные компоненты, 2005, №6, с. 90.
  2. Vicor Application Manual 1st Generation Modules
  3. Новости сайта
© 1999-2016 All Right Reserved. EFO Ltd. При использовании материалов ссылка на источник обязательна.
Контактная информация