Токозахранващи модули

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2012

Токозахранващи модулиТокозахранващи модулиТокозахранващи модулиТокозахранващи модулиТокозахранващи модулиТокозахранващи модулиТокозахранващи модули

ПОДОБНИ СТАТИИ

Улесняването на реализацията на електрически и електронни устройства има много аспекти, един от които е създаването на възли под формата на модули с приложения в определена област. Особено бързо през последните години този процес се разви в токозахранващите модули, които вече имат важно място в разработването на токозахранването на много прибори. Един от класовете модули е POL, чиито съвременни разновидности са разгледани в статията “Разпределено цифрово токозахранване” в бр. 4/2012 г. на списание Инженеринг ревю. В настоящата статия се описват действието, параметрите и разновидностите на друга категория с условното, в известна степен, наименование “токозахранващи модули” (Power Supply Modules). Естествено, мястото в захранването на устройствата и предназначението на двата типа е различно.

Структура и действие на токозахранването
Те са различни в зависимост от това дали устройството е стационарно или подвижно. Тук ще бъдат разгледани токозахранващите блокове на стационарните устройства, захранвани от електрическата променливотокова мрежа ниско напрежение или от постояннотокови 24- и 48-волтови мрежи. Последните са твърде разпространени по исторически причини, тъй като 48 V е напрежението на класическите и все още масово използвани жични телефонни мрежи, към които се свързват и множество съвременни комуникационни системи. Непосредственото осигуряване от споменатите напрежения на масовите малки постоянни стабилизирани напрежения (обикновено до 5 V) е свързано с много недостатъци, поради което все по-голямо приложение добива разпределеното токозахранване (вж. статията в бр. 7/2008 г., на списание Инженеринг ревю). Съществуват две основни негови разновидности, дадени на фиг. 1, като за простота са показани само по няколко модула POL, но техният брой може да е по-голям. Постоянното нестабилизирано напрежение VIN се получава от токоизправител при устройства за променливотоковата мрежа или непосредствено от постояннотокова мрежа. Стабилизираният преобразувател (Regulated Bus Converter) RBC на фиг. 1а представлява понижаващ ключов стабилизатор с галванично разделяне, който осигурява стабилното напрежение Vо на шината Bus Vo и галваничното й разделяне (Isolated DC/DC Converter) от VIN. Блокът MOS е ключ, който се използва в случаите, когато има POL с необходимост от включване към Vо. Последователността на подаване на Vо към различните POL и съответно последователността на получаване на изходните им напрежения Eoi за захранване на отделните възли на устройството се определя от управляващия блок (Sequencing Control) SC.

В схемата на фиг. 1б се използва нестабилизиран преобразувател (Unregulated Bus Converter) UBS, който също е ключова схема с галванично разделяне, но Vо се променя по същия начин, както VIN. Най-често използвана стойност на Vo е 12 V, а препоръчваните са между 8 V и 15 V. Сравняването на двете схеми показва, че при използване на UBS е необходим един модул в повече. Този недостатък в известна степен се компенсира от неговата проста и евтина схема, която при това има с няколко процента по-голям к.п.д. от RBC. Сравнението обаче на общия к.п.д. на двете схеми показва разлика между тях не повече от 1%.

Практиката е наложила значително по-голямото приложение на RBС, докато UBC се използва само понякога при необходимост от осигуряване на големи мощности, където предимството на по-големия им к.п.д. се чувства осезателно. Основните параметри, видове конструкции и почти всички допълнителни вериги за разширяване на приложенията на модулите RBC и UBC са еднакви.

Идея за устройството на модул на RBC е дадена на фиг. 2а. Входното напрежение VIN се подава между изводи 22-23 и 2-3, като вграденият стабилитрон предпазва модула от нежелани отскоци на VIN и обратна негова полярност. Следва LC-филтър, който намалява излъчваните от управляващия блок PWM смущения към входа. Самият блок заедно с външния NMOS транзистор, трансформатора (за галванично разделяне вход-изход), диода и кондензатора във вторичната намотка образува схемата на стабилизатора. В изхода има друг LC филтър за намаляване на пулсациите в изходното напрежение Vo, което се получава между изводи 14 и 16. Поради опростената схема не е показана веригата за обратна връзка, която осигурява стабилното Vo.
За захранване на отдалечени товари значителна част от модулите притежават известните от постояннотоковите стабилизатори, реализирани като уреди, два допълнителни извода S+ и S- със свързване на фиг. 2б.

Основни параметри
Разделят се на 4 основни групи.
Максимално допустими параметри. Те не водят до повреда, но не трябва да се допуска работата на модула с тях. За входното напрежение могат да се дават две стойности - постоянно (Continuous Input Voltage), което може да е само положително или да има една положителна и една отрицателна стойност, и импулсно (Transient Input Voltage) с дадени продължителност (например 100 ms) и коефициент на запълване (например 0,05%), като амплитудата му е с около 20% по-голяма от постоянното напрежение. Постоянното изолационно напрежение между входа и изхода (Input/Output Isolation Voltage) се дава с максималната си стойност, например 2250 V. Работната температура е тази на корпуса при определени условия (например наличие на радиатор – Operating  Case Temperature with Heat Spreader) или на най-горещата точка (показана е в каталога) – Operating Hot Spot Temperature. Част от тези параметри е и температурата на съхранение (Storage Temperature), като правило  в по-широки граници от предните две.
Входни параметри. За входното напрежение (Input Voltage) VIN обикновено се дават неговият обхват (VIN Range) с минималната (Input Min Voltage) и максималната (Input Max Voltage) му стойност, като разнообразието в тях е твърде голямо: 2.7/5.5 V, 4/14 V, 4.5/5.5 V, 4.5/6.5 V, 4.5/20 V, 6/14 V, 6/20 V, 6/36 V, 6/42 V, 7/18 V, 8V/18 V, 8/32 V, 8/38 V, 8/80 V, 9/18 V, 9/36 V, 9/75 V, 10.8/13.2 V, 12/32 V, 15/32 V, 15/38 V, 18/75 V, 18/144 V, 19/32 V, 20/46 V, 36/60 V, 36/75 V, 38/60 V, 43/11 V, 45/50 V, 66/154 V, 100/200 V, 180/375 V и 250/425 V. Сравнително по-рядко към тях се прибавя и номиналната му стойност (Input Nominal Voltage, Nominal Input, Nominal Value) VINnom, например 24 V (18-36 V), 28 V (9-36 V), 48 V (36-75 V), 72 V (43-110 V) и 300 V (180-375 V). При даден товар в изхода намаляването на VIN води до увеличаване на коефициента на запълване на импулсите в схемата на модула и при надхвърляне на определена стойност, т. е. при твърде малко VIN, се създава опасност от насищане на магнитната сърцевина на трансформатора и повреда. За избягване на това повечето модули съдържат защита от ниско входно напрежение (Under Voltage Lockout) UVLO, която ги изключва при достигане на определена стойност на VIN, обикновено около 0,9 VINmin. За някои модули стойността му е различна в зависимост от това дали те се включват (Turn-on Voltage Threshold) или се изключват (Turn-off Voltage Threshold), като обикновено първото напрежение е по-голямо от второто с няколко волта. С други думи модулът може да започне да работи, ако при включването му VIN е над първата стойност, а по време на работа се изключва при намаляване на напрежението под втората стойност.

При подаване на VIN изходното напрежение Vo се установява след известно време, което за много приложения е важно да се знае. Поради това в някои каталози има графики, пример за каквито е даден на фиг. 3. В момента t0 модулът се включва, VIN започва да нараства и в t1 достига UVLO, което е реалното включване. В t2 схемата на UVLO разрешава работата на модула и Vo (показаният пример е за модул с две изходни напрежения) започва плавно да нараства, като в t3 се установява по-малкото напрежение, а в t4 - по-голямото.

Входният ток (Input Current) IIN се дава сравнително рядко като параметър със стойността си празен ход на изхода (No-Load Input Current), при максимален товар, при VINmin (Maximum Input Current) или при двете. Тъй като при даден товар IIN е обратнопропорционален на VIN, често в каталозите има графика IIN(VIN) за максималния входен ток. Един пример е даден на фиг. 4. В някои каталози се дават и две входни мощности – при празен ход на изхода (Input Idling Power), обикновено няколко W и в режим “очакване” (Input Standby Power), т. е. при изключен модул със запазена възможност за дистанционно включване. Тази мощност обикновено е под 0,1 W. Съществен е входният ток на пулсациите (Reflected Ripple Current, Reflected Ripple) IIac, който се дължи на естеството на работа на модулите и стойността му се измерва от връх до връх в честотен обхват 0-20 MHz, независимо че най-голямата му съставка е с работната честота на  модула. Той протича през източника на входно напрежение и може да попречи на нормалната му работа. При добрите модули стойността му не надхвърля 10 mA, но има и такива с ток над 100 mA.

Изходни параметри. Голяма част от модулите са с положително изходно напрежение (Output Voltage) Vo по-малко от VIN, но има и такива с Vo>VIN. Пример за приложения на такива модули са комуникационните системи от клетъчен тип и в микровълнови ретранслатори. Често такива системи се захранват от електрическата мрежа и имат акумулаторна батерия 24 V, което е напрежението VIN, докато Vo е -48 V. Поради твърде ограничените приложения  са рядкост модули с отрицателно Vo. Съществуват модули с два изхода  (Dual Output Module), най-често положително и отрицателно напрежение, равни по абсолютна стойност. Сравнително рядко има модули с две положителни и различни напрежения, например +12 V и +3,3 V. Самото Vo може да е с фиксирана стойност (в зависимост от модела между 1 V и 375 V), като обикновено производителите предлагат серия модули с набор от напрежения. Също разпространена разновидност е на модулите с програмируемо от потребителя Vo, което може да се прави чрез свързване между определени изводи на резистор, чието съпротивление (в каталога е дадена формула) задава стойността на Vo или чрез управление от интерфейс (някои от специализираните PMBus или SMBus или от универсалния I2C). Не са рядкост модулите с двете възможности – чрез резистор се задава определено Vo, а чрез интерфейса то може да се регулира в определени граници. Производственият толеранс на Vo е сред съществените параметри на модулите с типични стойности около ±0,5% и максимални не надхвърлящи ±1%. В процеса на експлоатация Vo се влияе от няколко външни фактора, което се оценява чрез съответните параметри. Температурният коефициент TCVo на Vo е с типични стойности около 20 ppm/°С като не е желателно да надхвърля 100 ppm/°C. Реално обаче съществуват модули с TCVo до 500 ppm/°С, което означава силна зависимост на Vo от околната температура и собственото му нагряване. Вместо TCVo в някои каталози се дава изменението на Vo при промяна на температурата на модула от минималната до максималната.

Както при всички постояннотокови стабилизатори, и модулите имат като параметри коефициента на стабилизация по вход (Line Regulation) LR и коефициента на стабилизация по изход (Load Regulation) LdR. Първият показва относителното изменение в % на Vo при определена промяна на VIN (най-често между минималната и максималната му стойност), като при най-добрите модули стойността му е няколко хилядни от процента. Подобен е LdR, но той показва промяната на Vo при изменение на изходния ток между две стойности (дават се в каталога, например 5% и 100% от максималната му стойност), която при добрите модули е около 0,01%.

В зависимост от товара на модулите техният изходен ток Io може да се променя скокообразно в процеса на работата им, което предизвиква отскоци (Load Transient Overshoot, Dynamic Load Regulation) във Vo, а те от своя страна да променят действието на блокове (например да сменят логическото състояние на цифрови схеми), захранвани от Vo. Желателно е отскоците да са колкото е възможно по-малки и по-къси - при модулите от висок клас те не надхвърлят 2% от Vo, а продължителността им е до около 100 ms. В някои каталози се дават осцилограми Vo(t), получени при определена промяна на Io, един пример за което е показан на фиг. 5. Стойностите на Vod и td се дават като параметри - фиг. 5 е за модул с Vo=36 V и Io=12 A и има Vod=200 mV и td=70 ms. Подобни отскоци, дори над 0,1 Vo, биха могли да се появят и при включване на модула към VIN. За избягването им в много модели се използва т. нар. плавен старт (Soft Start), чрез който VIN нараства постепенно, а не рязко. Много производители дават в каталозите съответните графики, един пример за каквато е показан на фиг. 6 - мащабът по абсцисата е 20 ms/дел, долната крива е на VIN с мащаб по ординатата 30 V/дел, а горната е на Vo (мащаб 5 V/дел).

Поради естеството на работата на модулите в изходното им напрежение неизбежно съществуват пулсации (Output Ripple), към които се прибавя и шумът, създаван от елементите заедно с проникващия във входа шум. Като параметър се дава напрежението от връх до връх на съвкупността от пулсациите и шума (Output Ripple and Noise) в определена честотна лента (обикновено от 0 до 20-25 MHz) и при свързани успоредно на изхода танталов и керамичен кондензатор с даден капацитет (например 10 mF и 1 mF). При добрите модели стойността на напрежението е от порядъка на 100 mV. Има модули с вграден изходен филтър за намаляване на пулсациите и шума, а към други той се предлага като допълнителен възел (Output Filter) за различни максимални токове.

Сред основните параметри е максималният изходен ток (Maximum Output Current, Output Current Max или само Output Current) Io, чиито стойности са в границите от 67 mA (или ±33 mA) до 60 А. Токът, протичайки през част от елементите на модула, ги нагрява и съответно повишава температурата му. Нейната максимално допустима стойност (обикновено се взима тази на корпуса ТС) зависи и от околната температура ТА, поради което максималният ток намалява с увеличаване на последната. При дадена ТА може да се получи по-голям Io чрез охлаждане. За целта се дават графики, един пример за които е фиг. 7а - по абсцисата е ТА в °С, по ординатата е максималният ток в ампери, а графиките са при различна скорост на охлаждащия въздушен поток. В много случаи се дава по-проста графика (фиг. 7б) с нанесено по ординатата отношение на тока към максималната му стойност. Вижда се, че в конкретния пример с естествено охлаждане може да се осигури максималният ток до температура 72 °С, след което токът започва да намалява (например при ТА=85 °С е допустим изходен ток 50% от максималния) Чрез принудително охлаждане (площта в синьо) максималният ток може да се осигури до максимално допустимата температура на корпуса TCmax=95°).

Превишаването на максималния изходен ток и най-вече появата на късо съединение в изхода може да повреди модула. Затова в много модели има вградена максималнотокова защита (Output Overcurrent Protection) ОСР, която в зависимост от модула действа по различен начин. В някои модули при надхвърляне на максималния ток те преминават в режим на неизменен ток (превръщат се в генератор на ток), започват да намаляват Vo и при достигане на определена негова стойност (обикновено по-малка от номиналното напрежение с около 1 V) се изключват. Други при ток между 5% и 25% над максималния нулират изходното напрежение, но при късо съединение установяват ток с няколко десетки процента по-голям от максималния или равен на няколко десетки процента от него. Във всички случаи след задействане на защитата автоматично започват опити за включване на модула (например през 100 ms) и то се осъществява, когато токът е влязъл в нормалните си граници.

Максималната изходна мощност (Output Power) Ро често е параметърът, по който модулите се класифицират в каталозите и е в границите от няколко W до няколко kW. Поради връзката Po=VoIo между нея, Vo и Io, обикновено в каталозите се дават само две от величините, например модул 30 А/240 W.

Коефициентът на полезно действие (Efficiency) к.п.д. е h=Po/PIN, където PIN е мощността на входа на модула, представляваща сумата от Ро и разсейваната в модула мощност (Power Dissipation) PD. Твърде често h се дава в проценти. Той зависи от Io, като на фиг. 8 е даден пример за конкретен модул - по абсцисата е токът в ампери, а h е по ординатата. Нарастването на h с Io при малки негови стойности е поради увеличаването на Ро при значително по-малко нарастване на PD. Стойността на h е по-голяма при малки VIN (графиките са за три стойности на това напрежение) поради намаляването на PD с VIN. Освен това PD е и правопропорционална на Io, за което също се дават графики (фиг. 9 за модула с графиките на фиг. 8). Именно на нарастването на PD се дължи слабото намаляване на h при малки VIN и големи Io (има модули, при които то е по-голямо). В таблиците в каталозите обикновено се дава типичната стойност на h при максималния ток.

Токозахранващите модули са сред най-важните възли на електронните апаратури, тъй като повредата на модул означава спиране на захранваната от него част от апаратурата. Затова като параметър се дава средното време между две повреди (Mean Time Between Failure) MTBF с типични стойности (при температура на корпуса 35 °С) около 105 часа за модули с гражданско предназначение и приблизително 4 пъти по-големи за военни и космически апаратури. При маломощните модули (до около 5 W) стойността му може да надхвърли 106. За практиката е важно да се знае каква е вероятността (Probability) R, че модулът ще работи без повреда в период от време t. Тя е R=exp(-t/MTBF). Например модул с MTBF=105 часа е поставен в апаратура и вероятността, че той няма да се повреди през експлоатационния й срок от 5 години (8760 часа) е exp(-8760/100000)=0,916 или 91,6%. Но не трябва да се забравя, че с повишаване на температурата на модула стойността на MTBF намалява.

Производителите не дават тази зависимост, но практиката показва, че увеличаване на температурата с 15-20°С над тази, при която е валиден MTBF, го намалява наполовина.
Размери. При голяма част от модулите те са в съответствие с международно приети норми и наименования, както следва: Full Brick 117x56,9x12,7 mm, Half Brick 57,9x55,9x12,7 mm, Quarter Brick 57,9x36,8x12,7 mm, Eighth Brick 57,9x22,7x10,2 mm и Sixteenth Brick 33x22,9x9,4 mm. Трябва да се има предвид, че в тези размери може да има отклонения в зависимост от производителя. Често първите три типа модули се наричат съответно Maxi, Mini и Micro Brick. Някои производители използват и термина Pico Brick, без да има твърдо определение за размерите му. Един пример е 30,5x29,3x8,1 mm.

Извън тази група сравнително по-рядко има модули, означавани като 2”x1,6” (т.е. 50,8x40,6 mm или близки до тези стойности) при дебелина 8,9 mm и 1”x1” (25,4x25,4 mm).

Видове модули според конструкцията
Съществуват множество разновидности, като най-масово разпространени са модулите за вграждане, които се произвеждат във всички споменати размери. Като конструкция представляват печатна платка с масивни медни щифтове за електрически връзки с други възли, които често служат и за закрепване, например в отворите на печатни платки. Обикновено се предвиждат и подходящи отвори за поставяне на щифтовете при свързване на два или повече модула (Stacked Module), които често се продават като един. Съществуват конструкции с едностранен монтаж и носеща пластинка, които имат специално предвидени отвори за закрепване (а не чрез тоководещите щифтове).
Втората разновидност са модулите за повърхностен монтаж (Surface Mounting Technology Module, SMT Module), които практически винаги са с едностранен монтаж, предназначени са за монтиране върху печатни платки и дават възможност за автоматизация на монтажа им. Използват се основно в комуникационни апаратури и такива за обмен на данни, поради което обикновено са с Vo до 5 V и рядко до 12 V. Значителна част от производителите предлагат две разновидности на модули с еднакви параметри и размери – с щифтове и за повърхностен монтаж.

Значително приложение имат модулите в кутии с основно предназначение за монтиране върху шасита, на стени и други плоскости. Някои от тях съдържат вграден (на задната им страна) радиатор, който в някои случаи може да се сваля за закрепване на модула върху плоскост. Част от моделите са снабдени и с изводи за монтаж върху печатни платки, като могат да имат дебела носеща пластина за охлаждане, към която се прикрепва предлаган от производителя радиатор. Осигуряването на значителна мощност при малки размери налага двустранен и много плътен монтаж на елементите на модула.

Традиционният монтаж на електронни апаратури в носещи касети (най-често от типа 19” Rack и 23” Rack) не отминава и токозахранващите модули. Пример за такъв с два изхода 12 V/355 W и 3,3 V/5 W е даден на фиг. 10а, а друга конструктивна разновидност – на фиг. 10б. Подобно е положението и с модули за монтаж върху шина DIN (фиг.10в).

Допълнителни вериги
Тези вериги могат да се вградени в модулите или да се прибавят към тях с цел подобряване на работата и предпазване от повреда. Когато модулът е на значително разстояние от източника на VIN, индуктивността на свързващите проводници би могла да доведе до нестабилна работа. При индуктивност над няколко mH трябва непосредствено между двете клеми за VIN да с свърже електролитен кондензатор с капацитет няколко десетки mF (определя се експериментално) и малко съпротивление на загубите (желателно е под 0,7 W при 100 kHz).

Стойността на Vo намалява с увеличаване на Io, което означава отрицателен изходен импеданс на модулите с принципна възможност това да предизвика нестабилност при някои режими на работа. Избягването е чрез свързване успоредно на изхода на кондензатор с експериментално подбран голям капацитет. В каталозите на някои модули се дава неговата максимално допустима стойност, например 10 000 mF.
Дистанционното включване и изключване е функция, съществуваща в голяма част от модулите, като за целта е предвиден специален извод (ON/OFF pin), а в техническата документация се описва начинът на използването му. Например модулът работи нормално, когато изводът не е свързан и се изключва при съединяването му към отрицателния полюс на VIN, което може да се направи с механичен ключ, насищане на биполярен транзистор или отпушване на полеви транзистор, свързани между двата извода. В документацията се отбелязва и при какво максимално напрежение (например +0,8 V) между изводите се осъществява изключването. Понякога има графики, от които се определя колко време (обикновено няколко ms) след подаване на сигнала за включване изходното напрежение започва да нараства и след колко време (също няколко ms) се установява номиналната стойност на Vo. Начинът на установяване на Vo при използване на дистанционното включване и изключване е различен от фиг. 3, като в каталозите се дават подобни графики.

Не са редки практическите случаи на необходимостта от захранване на товари с неизменен ток (соленоиди, специални осветителни тела, еталонни източници). По принцип модулите с извод за задаване на Vo могат да се превърнат в източници на ток, като на извода се подаде напрежение, пропорционално на изходния ток. Идеята за реализиране на схемите е във веригата на тока да се постави нискоомен резистор, напрежението върху него да се усили и подаде на извода. Една от възможните схеми, предназначена за два модула на производителя Vicor, е дадена на фиг. 11.
 
Свързвания на модули
Първото е успоредно свързване на изходите на два или повече модула с еднакво Vo, при което токът през товара е сумата от изходните токове и, съответно, се увеличава изходната мощност. Почти винаги в каталозите се дават една или повече схеми и се изясняват особеностите им. При модули с управление от PMBus един се избира за управляващ (Master), а до три други са управлявани (Slave) от него. Има схеми с 12 и повече модула, няколко от които са управляващи.

Вторият вид е последователното свързване на изходите, като извод -Vo на първия се съединява с +Vo на втория. Обикновено се ползват два еднакви модула и очевидният резултат е изходно напрежение 2 Vo и, съответно, два пъти по-голяма Ро. Тук е важно общото VIN на модулите да може да осигури изходното напрежение. Схемите съдържат различни предпазни елементи, които също се дават в каталозите.

Последният вид е последователно свързване на входовете (обикновено само на два еднакви модула) с цел захранване от по-високоволтов източник. Схемите са значително усложнени и се предлагат в т. нар. Application Notes само от някои производители.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top