Публикации

Gaia

Новое поколение DC/DC преобразователей компании GAIA Converter (2016)

     Компания GAIA Converter, лидер в сфере проектирования и изготовления модульных источников питания, пополнила каталог своей продукции за счет выпуска нового семейства высоконадежных DC/DC преобразователей MGDD с расширенным диапазоном входного напряжения и выходной мощностью до 60 Вт. Предназначенные для использования в авиационной электронике, железнодорожном оборудовании, оборонных разработках, а также в высоконадежных промышленных устройствах преобразователи второго поколения адаптированы для применения в схемах с распределенной архитектурой питания. В статье рассматриваются основные характеристики нового семейства, дополнительные функциональные возможности и схемы включения.

Введение.
     Модульная архитектура источников питания представляет собой способ проектирования на основе блочной технологии построения структурной схемы, при которой каждый из блоков выполняет одну или несколько функций: защиты внешнего интерфейса, фильтрации электромагнитных помех, преобразования напряжения и т.д. Такой подход позволяет реализовать самые различные задачи, используя широкую номенклатуру стандартных преобразователей напряжения постоянного и переменного тока в сочетании со вспомогательными модулями, помогает упростить проектирование и ускорить процесс выхода готового продукта на рынок [1].
     Компания GAIA Converter, основанная в 1993 году, является основоположником концепции модульной архитектуры источников питания. Линейка продукции компании в настоящее время содержит более 3500 наименований AC/DC, DC/DC преобразователей и вспомогательных модулей с одним, двумя или тремя выходными каналами, широким диапазоном входных напряжений (от 5 до 480В) и стандартным рядом выходных. Типовые сферы применения –  авиационная, железнодорожная и оборонная отрасли [2].

Требования международных военных и авиационных стандартов к входному напряжению DC/DC преобразователей
     Модули питания данных назначений должны соответствовать специфическим требованиям международных отраслевых стандартов, определяющих уровень излучаемых электромагнитных помех, наличие дополнительных функций и перечень необходимых испытаний на воздействие жестких условий окружающей среды. Стандарты также в обязательном порядке описывают уровни входных напряжений в нормальных, анормальных и аварийных условиях, допустимые параметры переходных процессов, длительность спадов напряжения до нуля и амплитуду помех на входе. Для примера, наиболее распространенными номинальными уровнями входных напряжений в авионике и военных применениях являются значения 24 и 28 В по постоянному току или 115 В по переменному с расширением диапазонов до 16-40 В и 70-180 В соответственно [3]. Допустимые границы этих значений отражены в основных авиационных стандартах:
     • MIL-STD-704 (“Параметры источников питания летательных аппаратов”);
     • DO-160 (“Условия окружающей среды и методика испытаний авиационного оборудования”),
     • EN2282 (“Параметры источников питания воздушных судов”).
     Для отечественных производителей актуален ГОСТ Р 54073-2010: “Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии” (таблица 1).
     На железнодорожном транспорте распространены напряжения 24, 48, 72, 96 и 110 В постоянного тока, здесь действует общепринятый международный стандарт EN50155, регламентирующий, среди прочих параметров, уровень и качество напряжения питания (таблица 2) [4].

Требования стандарта EN50155 к входному напряжению источников питания
     Как видно из таблиц 1 и 2, аппаратура данных применений должна сохранять работоспособность и обеспечивать долговременную надежность при значительных отклонениях внешнего питающего напряжения от нормы и высоком уровне импульсных помех. Для соответствия всем требованиям стандартов обычно приходится применять дополнительные схемотехнические решения, обеспечивающие защиту входных цепей от перенапряжений, включения с обратной полярностью, кратковременных импульсных помех, распространяющихся по линиям питания, и т.д.
     К минусам такого подхода следует отнести усложнение схемы, увеличение занимаемой площади на печатной плате, значительное увеличение стоимости и трудозатрат. Одним из перспективных способов, устраняющих эти недостатки, является использование преобразователей с расширенным входным диапазоном, покрывающим допустимые отклонения напряжений питания.
     Преимуществами данного подхода являются:
     • Отсутствие в большинстве случаев необходимости применения внешних элементов защиты;
     • Универсальность источников питания. Модули с широким входным диапазоном позволяют без значительной модернизации применить разработанный источник при изменении напряжения шины питания;
     • Как следствие, уменьшение сложности монтажа устройств в результате повторного использования трафаретов и температурных профилей пайки, сокращение затрат на закупку новых электронных компонентов и на перепроектирование (разработку, тестирование, внедрение);
     • Уменьшение стоимости готового изделия вследствие сокращения времени разработки.

DC/DC преобразователи новой серии MGDD.
     Ключевая отличительная особенность DC/DC преобразователей серии MGDD – уникально широкий диапазон входных напряжений (вплоть до 12:1). Они отлично подходят для работы с любыми стандартными напряжениями батарей/шин питания (24, 28, 48, 72, 110 и 125 В).
     В настоящее время уже доступны модули, рассчитанные на максимальную выходную мощность 8, 20 или 60 Вт, а 30 Вт модели планируются к выпуску во второй половине 2016 года. Каждый преобразователь семейства MGDD имеет два индивидуально изолированных выходных канала с номинальными напряжениями 3.3, 5, 12, 15 или 24 В с погрешностью установки не более ±2% при комнатной температуре и 75% нагрузке (рис. 1). Устройства с входом 12-160 В (MGDD-08 и MGDD-21) ориентированы на применение в железнодорожной аппаратуре, остальные позиционируются для наземного и бортового авиационного оборудования [5, 6].

Маркировка DC/DC преобразователей серии MGDD компании GAIA Converter
     Уровень выходного шума не превышает 100 мВ при полной нагрузке для выходного напряжения 5 В (200 мВ для 60 Вт преобразователя) и 520 мВ для модели с Uвых = 24 В. Разработанные для применения в устройствах высокой надежности, новые модули не имеют оптической развязки в цепях обратной связи и работают на фиксированных частотах преобразования, обеспечивая хорошие шумовые характеристики и высокий КПД во всём диапазоне входных напряжений (таблица 3). Для минимизации кондуктивного шума используется технология плавного включения, соответствующая интегрированная схема позволяет не только ограничивать входной ток, но и устраняет бросок пускового тока во время запуска преобразователя.

Основные характеристики DC/DC преобразователей напряжения серии MGDD
     Такие показатели достигнуты благодаря оригинальным алгоритмам работы схемы коммутации, разработанным компанией GAIA Converter и позволяющим помимо всего прочего сохранить эффективность преобразования энергии на уровне 90%. Типовая структура преобразователя MGDD с изображением основных узлов приведена на рис 2.
     Все модули изготавливаются в высоконадежном (Hi-Rel) исполнении, кроме того серии MGDDх-20 и MGDDх-60 включают в себя устройства промышленного (Industrial) назначения, на принадлежность к этой группе указывает наличие дополнительной буквы I в наименовании изделия. Преобразователи MGDDI обеспечивают компромисс между стоимостью и эксплуатационными характеристиками при выборе подходящего решения, они разработаны в строгом соответствии с требованиями стандарта безопасности EN60950. Данная категория продукции эксплуатируется в диапазоне рабочих температур от -40 до +95°C, имеет повышенную до 2250 В гальваническую изоляцию вход/выход и встроенные LC-фильтры для минимизации входных пульсаций тока согласно требованиям по электромагнитной совместимости EN55022 (класс B).

Типовая внутренняя структура и внешний вид модуля семейства MGDD компании GAIA Converter
     Высоконадежные MGDD преобразователи предназначены для применения в жёстких условиях окружающей среды, они обладают расширенным диапазоном рабочих температур от -40 до +105°C (с опциональной возможностью увеличения нижнего предела до -55°C) и низкими пульсациями выходного напряжения. Данные устройства сертифицируются на соответствие требованиям стандарта MIL-STD-1275E, согласно которому системы должны выдерживать любой введённый импульс с энергией 2 Дж и длительностью 1 мс. Кроме того, модули серии MGDD полностью удовлетворяют требованиям по электромагнитной совместимости, прописанным в широко используемых стандартах MIL-STD-461C/D/E/F (ГОСТ В 25803-91) и DO-160D/E/F. Основные отличия DC/DC преобразователей GAIA Converter в высоконадежном и промышленном исполнении представлены в таблице 4.

Основные отличия высоконадёжных и промышленных DC/DC преобразователей GAIA Converter
     Отдельно стоит отметить наличие специализированных вариантов высоконадежных модулей, прошедших дополнительные температурные испытания при -55°С (опция /T) и ряд расширенных отбраковочных тестов по методам, изложенным в стандарте MIL-STD-883C (опция /S):
     • Термоэлектротренировку в течение 96 часов при T=+105°С;
     • Термоциклирование: 30 циклов (от -40 до +105°С с шагом 3°С/мин.);
     • Испытания на принудительный отказ в течение 160 часов при T=+85°С и полной нагрузке;
     • Тестирование на воздействие высокой температуры (+85°С).
     Отличия в среднем времени наработки на отказ (MTBF) для высоконадежных и промышленных модулей можно увидеть на примере серии MGDD-60 [7, 8].      Согласно MIL-HDBK-217F (стандарт для расчета надежности электронных компонентов) для высоконадежных преобразователей оно составляет:
     • в стационарном наземном оборудовании:
          - 680 тыс. ч. при температуре +40°C
          - 235 тыс. ч. при температуре +85°C
     • в бортовом оборудовании летательных аппаратов:
          - 395 тыс. ч. при температуре +40°C
          - 150 тыс. ч. при температуре +85°C
     Для модулей промышленного назначения производителем гарантируются меньшие цифры при аналогичных температурах эксплуатации:
     • 490 тыс. ч. и 225 тыс. ч. для наземного оборудования
     • 245 тыс. ч. и 110 тыс. ч. для бортового оборудования.
     Каждый преобразователь нового семейства выполнен в компактном металлическом анодированном корпусе промышленного стандарта, выводы никелевые с золотым покрытием. Для оптимального рассеивания мощности осуществляется герметизация при помощи двухкомпонентного теплопроводящего состава. В зависимости от номинальной мощности размеры корпусов варьируются от 27,5х19,3х8,2 мм у 8 Вт моделей до 82,5х48,5х12,5 мм у MGDD-60. Гальваническая изоляция между входом и выходом составляет не менее1500В постоянного тока, между двумя выходными каналами не менее 300 В постоянного тока (тестирование проводится в течение 1 минуты).

Встроенные защитные функции.
     Все модули являются полнофункциональными устройствами и обладают встроенной защитой как для работы без нагрузки, так и с полным расчётным потреблением. Защитные цепи включают в себя настраиваемые схемы, блокирующие преобразователь в случаях пониженного входного и повышенного выходного напряжений, при перегрузке по току или возникновении короткого замыкания на выходе, а также при превышении максимальной рабочей температуры.
     Применение схемы защиты от пониженного напряжения (under-voltage lockout, UVLO) гарантирует, что низкое напряжение входной шины не приведет к нештатной работе преобразователя. Встроенная цепь измеряет входное напряжение, сравнивает его с опорным и блокирует модуль при значениях напряжения ниже предельного уровня, определяющего область безопасной работы преобразователя (рис. 3а). По умолчанию эти значения не превышают 10,8 В для устройств промышленного применения и 10,5 В для высоконадежных с входным диапазоном 12-160 В.

Защитные функции DC/DC преобразователей серии MGDD GAIA Converter
     Обратное включение у всех преобразователей происходит автоматически - при увеличении Uвх до 11,8 В модуль возвращается внормальный режим работы и обеспечивает стабилизированное выходное напряжение. У модулей с рабочими напряжениями 4,5-33 и 9-60 в качестве пороговых выступают нижние границы диапазонов, т.е. 4,5 и 9 В соответственно, при этом величина петли гистерезиса меняется в зависимости от модели в пределах от 0,35 до 1 В, пороговые уровни включения и отключения незначительно изменяются в зависимости от температуры. В общем случае значение порога регулируется по желанию разработчика путем подключения сопротивления Ruvlo между выводом UVLO и общим проводом.
     Непрерывная защита по току срабатывает, если сопротивление нагрузки оказывается слишком малым (например, имеет место короткое замыкание), а ток превышает определенное пороговое значение, что может привести к выходу модуля из строя. В преобразователях семейства MGDD защита выполняется схемой ограничения (over current protection, OCP), срабатывающей при увеличении выходного тока Id на 30% выше номинального у серий MGDDх-20 и MGDDх-60 и на 60% у остальных. В этом случае преобразователь переходит в пульсирующий (“hiccupmode”) режим работы (рис. 3б), в котором он периодически включается, чтобы определить наличие перегрузки, и выключается, если это подтверждается. После уменьшения выходного тока ниже заданного порога модуль автоматически стартует в режиме “мягкого” запуска, длительности Td и Th зависят от входного напряжения и температуры эксплуатации.
     Встроенная схема защиты от превышения выходного напряжения (over voltage protection, OVP) есть только у устройств MGDDх-20 и MGDDх-60.Цепь OVP срабатывает, если напряжение на выходных контактах преобразователя превышает 130% (±10%)от номинального значения. Причиной этого может быть, в частности, подстройка выходного напряжения, а также процесс проверки пользователем работоспособности своей аппаратуры при повышенных напряжениях питания.
     Защита от температурных перегрузок (over temperature protection, OTP)предназначена для предотвращения выхода из строя модуля в случае перегрева. Повышение температуры преобразователя (независимо от причины) сверх предельно допустимых значений вызывает срабатывание защитного механизма – снижение тока в нагрузке или ее полное отключение. Это предотвращает дальнейшее повышение температуры и повреждение устройства. При автоматическом перезапуске повторное включение модуля произойдет только после остывания. Температурная защита присутствует только у 60 Вт моделей семейства, порог максимальной рабочей температуры установлен на 120 °C (±5%) с гистерезисом 10 °C (рис. 3в).

Специальные функции DC/DC преобразователей MGDD.
     DC/DC преобразователи семейства MGDD обладают несколькими важнейшими свойствами, расширяющими возможности их практического применения: входом дистанционного включения/выключения, внешней синхронизацией нескольких преобразователей и точной установкой выходного напряжения.
     Дополнительный вход регулировки Trim обычно используется, если падением напряжения на проводах, подводящих питание к нагрузке, нельзя пренебречь. Тогда регулировка выхода позволяет компенсировать потери и довести до нагрузки напряжение требуемого значения. Функция точной подстройки выходного напряжения в модулях MGDD допускает корректировку на величину от -20 до +10% от номинального значения выхода простым подключением подстроечного резистора между выводом Trim и шиной питания или “землей” в зависимости от направления регулировки. Благодаря этому свойству возможно получение нестандартных выходных напряжений, лежащих в широком диапазоне от 3.3 до 52.8 В (таблица 5). Например, устройство, для питания которого необходимы 28 В, может получить их от DC/DC преобразователя с двумя последовательно объединенными регулируемыми каналами с номинальными напряжениями 15 В.

Максимальные диапазоны входных напряжений DC/DC преобразователей серии MGDD GAIA Converter
     Для быстрой подборки требуемого сопротивления рекомендуется использовать многооборотные потенциометры, а сам регулировочный резистор располагать как можно ближе к выводам преобразователя для уменьшения влияния на результат паразитной индуктивности. В тех случаях, когда точной подстройки не требуется, вход Trim должен оставаться незадействованным, при этом выходное напряжения будет в пределах допуска, указанного в технической документации.
     Сервисная функция дистанционного включения/отключения существенно повышает гибкость применения преобразователей в современных системах электропитания РЭА, требующих определенного алгоритма подачи питания к отдельным узлам. Она также полезна в случае возникновения аварийных ситуаций, когда необходимо выполнить оперативное отключение нагрузки. Требуемые уровни логических сигналов управления и входной импеданс цепи определяются из технической документации на конкретную модель.
     Выключение модуля, равнозначное отключению выходного каскада от нагрузки, выполняется подачей низкого логического уровня (0-0,5 В) относительно общего провода на вывод On/Off при помощи внешнего коммутирующего устройства: механического переключателя (рис. 4а), дискретного биполярного или полевого транзистора (рис. 4б), оптопары (рис. 4в), маломощного реле (рис. 4г) и т.д. Допускается объединение модулей и использование одного сигнала управления для запуска нескольких преобразователей (рис. 4д). Преобразователь находится во включенном состоянии, когда вход On/Off остается свободным или когда на него подается сигнал высокого уровня (3,3 или 5 В в зависимости от модели). Задержка включения/отключения не превышает 30 мс / 100 мкс соответственно [9].

Распределённые варианты управления входом On/Off модулей MGDD
     Вывод внешней синхронизации Sync обеспечивает возможность синхронизации внутреннего генератора внешним сигналом. Несколько преобразователей могут быть объединены между собой для работы на одной общей частоте или же могут быть подключены к внешнему источнику тактового сигнала, данная функция обычно применяется в сложных системах электропитания (рис. 5).Частота внешнего синхросигнала должна лежать в допустимых пределах, которые составляют 285-310 кГц для серийMGDDх-20/MGDDх-60 и 270-360 кГц для остальных. Для обеспечения надежного функционирования рекомендуется использовать сигналы прямоугольной формы с временами фронта/спада (Tr, Tf) не более20-30 нс. Стоит отметить, что у модулей MGDD-08 и MGDD-21 функции On/Off и Sync конфигурируются на одном общем выводе.

Внешняя синхронизация DC/DC преобразователя MGDD-20 GAIA Converter

Типовые варианты включения преобразователей семейства MGDD.
     Линейка преобразователей любого серьезного производителя позволяет легко подобрать модуль с требуемыми параметрами. Если по каким-то причинам это невозможно, то всегда можно выполнить объединение отдельных каналов или даже модулей для получения заданных энергетических характеристик. Поскольку преобразователи MGDD имеют два независимых канала выходного напряжения номиналом 3.3, 5, 12, 15 или 24 В, то разработчики при использовании параллельного, последовательного или симметричного соединения могут реализовать различные схемы питания, например, одноканальные источники с выходным напряжением 3.3...48 В, двухканальные одно- и двухполярные с выходными напряжениями +/-15 В или 2x24 В с мощностью каждого канала от 4 Вт у MGDD-08 до 30 Вт у преобразователей серии MGDDх-60 (рис.6).


     Последовательная топология применяется для удвоения уровня выходного напряжения, и, с учетом дополнительной регулировки при помощи вывода Trim, для получения нестандартных питающих напряжений. Для увеличения отдаваемой мощности возможно параллельное соединение выходов преобразователей, в результате чего получается одноканальное решение с номинальным выходным напряжением 3.3, 5, 12, 15 или 24 В и максимальным током нагрузки. Симметричное включение обеспечивает получение двухполярного выходного напряжения с уровнями ±3.3, ±5, ±12, ±15 или ±24 В и мощностью от 4 (MGDD-08) до 30 Вт (MGDDх-60) на каждый канал. В вариантах в) и г) существует возможность подключения несбалансированной нагрузки, например, для 20 Вт преобразователей – 17 Вт на один канал и 3 Вт на другой.

Заключение.
     Продукция компании GAIA Converter, обладающая сертификатами соответствия международным отраслевым стандартам, идеально подходит для разработки источников питания различной степени сложности, применяемых как в промышленном оборудовании, так и в аппаратуре оборонного, авиационного и транспортного назначения. Жесткие требования к параметрам и качеству изделий, широкие функциональные возможности, хорошая техническая поддержка – все это в полной мере относится к высоконадежным устройствам компании. Новая линейка преобразователей MGDD с широким диапазоном входных напряжений позволяет создавать универсальные системы питания с большим запасом прочности, работающие при высоком уровне помех, уменьшить габариты итогового устройства, сократить количество внешних защитных компонентов, и, тем самым, снизить стоимость изделия.

Список используемой литературы.
1) Верхулевский К. Модульные источники питания GAIA Converter – сочетание максимальной надежности и широких функциональных возможностей. // Компоненты и технологии. 2013. №5, с. 68-72.
2) Modular power converters. // Quick selection guide. http://GAIA-converter.com/ShortForm.pdf
3) Using COTS converter for avionics/military applications. // Application note. January 2011.
4) Using modular DC/DC converter for battery powered railway applications. // Application note. May 2010.
5) Hi-Rel DC/DC converter MGDD-08: 8W power. // Datasheet. October 2015.
6) Hi-Rel DC/DC converter MGDD-21: 20W power. // Datasheet. February 2016.
7) Hi-Rel DC/DC converter MGDD-60: 60W power. // Datasheet. November 2014.
8) Industrial DC/DC converter MGDDI-60 ultra wide input: 60W power. // Datasheet. November 2014.
9) DC/DC converters logic On/Off. // Application note. April 2012.