К источникам питания высоконадежного авиационного и военного оборудования предъявляется ряд жестких требований, среди которых важное место занимает возможность поддержания работоспособности устройства при аварийном снижении напряжения шины питания. Традиционный способ решения этой задачи, при котором используется накопительный конденсатор, подключаемый к входу преобразователя, имеет ряд недостатков. Компанией GAIA Converter предлагается альтернативный метод, согласно которому для обеспечения стабильного функционирования DC/DC преобразователей применяются специализированные модули поддержания выходного напряжения серии HUGD. В данной статье рассматривается преимущества применения, основные технические характеристики и режимы работы самого мощного представителя этой линейки - модуля HUGD-300, появившегося на рынке электронных компонентов в ноябре 2013 года.
ВВЕДЕНИЕ
При эксплуатации электронной авиационной и военной аппаратуры возможны случаи кратковременного снижения и даже пропадания входного напряжения, что может привести к потере данных и увеличению количества аварийных отказов. Современные стандарты в требованиях к источникам питания регламентируют время, в течение которого должно обеспечиваться наличие выходного напряжения при пропадании входного. Так согласно стандартам MIL-STD-704 и DO-160 для сохранения критически важных данных преобразователи напряжения должны гарантировать бесперебойную работу всей системы на период не менее 50-1000 мс, а в некоторых случаях это время может достигать 7 секунд.
Самый простой способ решения данной проблемы - установка на входе преобразователей конденсаторов большой емкости и, соответственно, немалых размеров, заряжаемых до рабочего напряжения. Номинальная емкость накопительного конденсатора на входе преобразователя зависит от нагрузки, эффективности используемого DC/DC преобразователя и необходимого времени поддержания напряжения и рассчитывается из следующего выражения:
, где
P - мощность нагрузки (выход преобразователя),
h - КПД преобразователя при заданной нагрузке,
Δt - время поддержания (в секундах),
V1 - начальное напряжение на конденсаторе,
V2 - минимальное входное напряжение преобразователя.
Например, для гарантированного поддержания рабочего напряжения в течение 200 мс при использовании 25 Вт DC/DC преобразователя (MGDS-25) с входным диапазоном 9-36 В и напряжении шины питания 28 В потребуется конденсатор с емкостью не менее 25000 мкФ. Очевидным минусом такого подхода, помимо увеличения требуемой площади печатной платы и размеров изделия в целом, является значительный пусковой импульсный ток заряда, для ограничения которого приходится дополнительно модернизировать входные цепи, как показано на рис. 1. Альтернативой традиционного способа является использование специализированных модулей, позволяющих значительно снизить величину накопительного конденсатора.
МОДУЛИ ПОДДЕРЖАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Компания GAIA Converter, основоположник модульной архитектуры источников питания, предлагает более 3 500 типов модулей различных серий, познакомиться с основными характеристиками которых подробней можно в обзорных статьях [1, 2, 3]. Задача удержания и контроля напряжения на заданном уровне, ограничения пускового тока, выдачи аварийных и информационных сигналов, а также резервирования в случае неисправности входной шины осуществляется при помощи компонентов серии HUGD. Соответствующие требованиям военных стандартов модули HUGD занимают важное место в структурной схеме источников питания и гарантируют бесперебойную работу потребителей энергии при кратковременном снижении напряжения входной шины. Предназначенные для работы в основном со стандартной шиной питающего напряжения 28В постоянного тока модули автоматически определяют просадку входного напряжения и инициализируют длительное удержание с применением конденсатора, заряженного до высокого напряжения. Зарядка конденсаторов до более высокого напряжения, чем номинальное значение напряжения в системе заметно уменьшает величину требуемой ёмкости конденсатора, что подтверждает таблица 1 [4]. Здесь расчет производился по ранее приведенной формуле.
Как видно из таблицы 1, применение модулей серии HUGD позволяет добиться значительного снижения массогабаритных показателей источников питания, а также ограничить величину пускового тока, что в свою очередь способствует повышению надежности всей системы. Типовая схема подключения модуля к преобразователю напряжения приведена на рис. 2.
НОВИНКА КОМПАНИИ GAIA CONVERTER - модуль HUGD-300
Модули поддержания напряжения представлены в ассортименте многих компаний, ориентированных на рынок высокоэффективных источников питания, например, у Interpoint и XP Power. Для сравнения в таблице 2 представлены основные характеристики старших представителей аналогичных линеек продукции от известных фирм-производителей.
В конце 2013 г. компания GAIA Converter представила новый модуль поддержания выходного напряжения HUGD-300, отличающийся увеличенной до 300 Вт мощностью, широким диапазоном входных напряжений, высоким КПД и, одновременно с этим, небольшими габаритами [5]. HUGD-300 с максимальным выходным током до 30 А позиционируется для применения в источниках питания высоконадежных устройств с суммарной выходной мощностью до 300Вт. Модуль оптимизирован для совместной эксплуатации с DC/DC преобразователями компании GAIA Converter с входными рабочими напряжениями 9-45В и 16-80В. Повышение напряжения, необходимого для заряда накопительного конденсатора, осуществляется до уровня 30-80В, а его конкретное значение устанавливается пользователем. Повышение напряжения позволяет уменьшить величину емкости накопительного конденсатора в ряде случаев на 80% и, следовательно, значительно уменьшить его размеры и вес.
Наличие встроенной защиты от включения в обратной полярности позволяет разработчикам обеспечить соответствие требованиям ряда военных стандартов, таких как MIL-STD-704 и MIL-STD-1275. При использовании дополнительных выходных контрольных сигналов существует возможность организации схемы мониторинга работы ИП. Также модуль HUGD-300 можно подключить к двум шинам входного напряжения питания, тогда при возникновении аварийного состояния на одной из них выполняется быстрое переключение на вторую. HUGD-300 характеризуется КПД не менее 98%, полностью соответствует требованиям стандарта MIL-STD-810D и изготавливается в металлическом герметизированном низкопрофильном корпусе промышленного стандарта с размерами 2.5х4.0х1.2см, внешний вид которого представлен на рис. 3.
Для типовых применений рекомендуется использовать базовую версию модуля со стандартным диапазоном рабочих температур от -40°C до +105°C. Для ответственных применений доступны компоненты с увеличенным диапазоном температур и с расширенным перечнем тестовых испытаний на соответствие требованиям стандарта MIL-STD-883C (суффиксы T и S в наименовании соответственно).
Режим работы HUGD-300
Модуль HUGD-300 имеет три режима работы [6]:
1). Режим зарядки. При повышении входного напряжения до порога зарядки, величина которого эквивалентна напряжению аварийного отключения, HUGD-300 начинает заряжать внешний конденсатор, ток зарядки при этом постоянно контролируется. Когда напряжение на конденсаторе достигнет значения 90% от заданного, на выводе СС (capacitor charged) появляется активный сигнал “конденсатор заряжен” и модуль переходит в нормальный рабочий режим.
2). Нормальный рабочий режим. В данном режиме для поддержания буферного конденсатора в заряженном состоянии, HUGD-300 потребляет менее 1Вт. Напряжение питающей шины лежит в пределах между порогом отключения и значением 100В. В этом режиме модуль будет работать до тех пор, пока напряжение на входе не снизится до аварийного уровня.
3). Аварийный режим. При низком питающем напряжении модуль отключает вход от выхода и подключает накопительный конденсатор к выходу. В этом случае питание DC/DC преобразователей осуществляется от конденсатора. При разрядке конденсатора практически до уровня аварийного порога активируется сигнал CD (capacitor discharged - “конденсатор разряжен”).
На рис. 4 представлены временные диаграммы, поясняющие работу HUGD-300. Здесь Vi и Vo входное и выходное напряжения соответственно, к выводу Vc подключается накопительный конденсатор, а PF, CC и CD – флаги, сигнализирующие о состоянии модуля.
Принцин действия HUGD-300
В структурной схеме модуля HUGD-300 можно выделить три основные части:
• входная цепь контроля;
• схема зарядки;
• цепь контроля напряжения поддержания.
Входная цепь осуществляет проверку напряжения шины питания и сравнивает его с пороговым значением Vth (“аварийное” напряжение), которое регулируется в пределах от 6 до 20В при помощи внешнего маломощного резистора Rth, подключаемого между выводами модуля Vth и GND. Выбор величины Vth напрямую зависит от диапазона входных напряжений преобразователей (9-36/9-45В, 10-100В или 16-40/16-80В). В случае прямого соединения вывода Vth с землей порог устанавливается на уровне 6 В, а при неподключенном выводе - 20 В. Зависимость на рис. 5 поможет выбрать необходимый номинал задающего резистора. Гистерезис обнаружения просадки напряжения составляет 2 В, т.е. при уменьшении напряжения ниже Vth модуль отключается от шины питания, а подключение происходит только при превышении порога на те же 2 В.
При уменьшении входного напряжения до порога, автоматически подключается схема зарядки, а также генерируется информационный сигнал PF (power fail flag). Схема зарядного устройства используется для зарядки накопительного конденсатора до заранее предустановленного значения, лежащего в диапазоне от 31 до 80В постоянного тока, а также обеспечивает ограничение пускового тока. Максимальное пороговое значение задается также путем подключения резистора определенного номинала Rset между выводами Vcset и GND (рис. 6), замыкание Vcset на землю отключает схему зарядки. Соответствующее время зарядки можно рассчитать при помощи следующего выражения:
, где
Pcharge - мощность зарядки,
С - ёмкость накопительного конденсатора (в Фарадах).
Схема контроля напряжения подержания отслеживает состояние буферного конденсатора. В зависимости от состояния CC (capacitor charged) или CD (capacitor discharged) на соответствующих выводах с открытым стоком устанавливаются активные флаги, которые могут быть использованы на системном уровне для управления питанием. Сигнал CC появляется при достижении 90% уровня от значения Vcset, а CD устанавливается при падении напряжения конденсатора до порога Vth+20%.
Накопительный конденсатор подключается к выводу Vc. К типу и номиналу используемого накопительного конденсатора производителем предъявляются определенные требования. К применению рекомендуются электролитические конденсаторы с низким значением ESR и расширенным диапазоном рабочих температур, при этом номинальная емкость не должна быть менее 470мкФ и более 100000мкФ. Конкретное значение может быть рассчитано либо получено из справочной документации. Например, на рисунке 7 представлен график зависимости величины емкости накопительного конденсатора от требуемого времени подержания для различных уровней выходной мощности при использовании DC/DC преобразователей с входным диапазоном напряжений 16-80В.
Для поддержания выходного напряжения на время переключения модуля HUGD-300 рекомендуется использовать дополнительный буферный конденсатор C2, подключенный к выходу Vo. Для 300Вт нагрузки достаточно применить электролитический конденсатор емкостью 330мкФ, в случае более низких нагрузок эта величина может быть уменьшена.
В заключение приведем структурную схему источника питания военного/авиационного назначения с мощностью 300Вт, построенного на основе модулей компании GAIA Converter. Модульная архитектура позволяет упростить разработку и ускорить процесс реализации готового устройства. Возможные изменения в схеме (регулировка диапазона питающих напряжений, необходимость защиты и т. д.), возникающие как на этапе разработки, так и при опытной эксплуатации, могут быть внесены в конструкцию без значительных временных и материальных затрат. Согласно типовой схеме модуль HUGD-300 подключается между шиной питания и DC/DC-преобразователями [7]. При необходимости перед ними могут быть использованы фильтры для защиты от электромагнитных помех и/или переходных процессов (модули серий LGDS и FGDS соответственно) (рис. 8).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные преимущества использования модулей поддержания напряжения – уменьшение габаритов источников питания и их стоимости, а также повышение долговременной надежности, что является немаловажным фактором при проектировании и производстве всей бортовой аппаратуры. Модуль HUGD-300 выгодно отличается от своих аналогов широким диапазоном питающих напряжений, высокой мощностью 300Вт, и при этом, небольшими габаритами. Отличные показатели наработки на отказ и жесткий контроль качества выпускаемой продукции позволяют рекомендовать модуль для применения в аппаратуре ответственного применения.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1). Некрасов М. Модули преобразователей DC/DC и AC/DC компании GAIA Converter для высоконадежных и промышленных применений // Силовая электроника. 2011. № 2, с. 62-64.
2). Верхулевский К. Организация питания авиационной аппаратуры при помощи преобразователей компании GAIA Converter // Силовая электроника. 2012. № 2, с. 44-48.
3). Верхулевский К. Модульные источники питания GAIA Converter - сочетание максимальной надежности и широких функциональных возможностей. // Компоненты и технологии. 2013. № 5, с. 68-72.
4). Managing hold up/transparency time in high reliability power supplies. White paper. November 2013. // gaia-converter.com.
5). Русскоязычная версия официального сайта http://www.gaia-russia.ru.
6). Hi-Rel Hold-up module HUGD-300: 300W power. // Datasheet. November 2013. // gaia-converter.com.
7). Modular power architecture up to 300W power for 24V/28V avionics/military applications. // Application note. November 2013. // gaia-converter.com.
