Projektowanie źródeł zasilania dla trudnych warunków środowiskowych za pomocą modułów zasilania PFH500 firmy TDK-Lambda

W związku z rozwojem przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) i pojawieniem się 5G, systemy elektroniczne wdrażane są w coraz bardziej różnorodnych i wymagających zastosowaniach. Konstruktorzy tych systemów muszą więc wykorzystywać zasilacze spełniające stale rosnące wymagania dotyczące niezawodności. Aby sprostać tym wymaganiom, kluczowe znaczenie mają cechy takie jak wytrzymałość fizyczna i ograniczanie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), jak również łączność i wbudowane inteligentne funkcje wymagane do działania w ramach nowego systemu połączonego z IIoT.

Zgodnie z tym modelem konstruktorzy mogą zmniejszyć skutki awarii zasilania i przestojów systemu poprzez autodiagnostykę, jednocześnie umożliwiając zdalne aktualizacje, dokonywanie regulacji i monitorowanie wydajności podczas pracy.

W tym artykule przedstawiono rozwiązanie, które spełnia te wymagania: serię modułów zasilania TDK-Lambda PFH500. Zaprezentowano również, w jaki sposób projekt zasilacza przyjazny środowisku pracy oraz zastosowanie PMBus mogą poprawić jakość zasilania i niezawodność systemu, a także utrzymać wydajność nawet w najtrudniejszych warunkach środowiskowych.

Dlaczego warto korzystać z PMBus?

Dzięki wykorzystaniu otwartego standardu protokołu komunikacyjnego zarządzania zasilaniem PMBus do cyfrowego zarządzania zasilaniem można osiągnąć wiele korzyści. Zwiększa on możliwości użytkowe, poprawia wydajność i niezawodność zasilaczy. Na przykład umożliwia mierzenie i monitorowanie, różnych parametrów zasilania, takich jak napięcie i natężenie na każdym wyjściu, temperatura każdego układu wyjściowego, stan prawidłowego zasilania każdego układu wyjściowego i stan włączenia wyjścia każdego modułu bez jakiegokolwiek zewnętrznego oprzyrządowania (ilustracja 1).

Ilustracja 1: funkcje komunikacyjne PMBus używane do monitorowania i zmiany parametrów. (Źródło ilustracji: TDK-Lambda)

Użytkownicy mogą również przewidzieć wystąpienie ewentualnie katastrofalnej w skutkach awarii dzięki ciągłym pomiarom standardu PMBus, co jest ważne w wypadku zastosowań w telekomunikacji 5G, inteligentnych fabrykach, centrach danych, oddalonych i trudno dostępnych lokalizacjach oraz innych zastosowaniach.

Cechy zasilacza TDK-Lambda PFH500

Seria PFH500F ma wymiary 10,16 x 6,09cm (4 x 2,4 cala) i jest dostępna w standardzie DOSA ¾ Brick (ilustracja 2). Jest w stanie dostarczyć 500 watów (W) mocy z regulowanym 28-woltowym napięciem wyjściowym, które można regulować w zakresie od 22,4 woltów do 33,6 woltów (±20%).

Ilustracja 2: seria przetwornic prądu zmiennego na stały PFH500F ma format ¾ Brick w standardzie DOSA i może dostarczyć 500W z regulowanym napięciem 28 woltów. (Źródło ilustracji: TDK-Lambda)

Konstrukcja wykorzystuje tylko jedną wielowarstwową płytkę drukowaną bez potrzeby stosowania izolowanego metalowego podłoża, co redukuje hałas w sygnale współbieżnym i eliminuje wspólne połączenia styków, zwiększając w ten sposób niezawodność. Architektura zasilania wykorzystuje technikę bezmostkowej korekcji współczynnika mocy (PFC) i prostowanie synchroniczne. Urządzenia zasilające wykorzystujące azotek galu (GaN) są stosowane w celu uzyskania niższych strat i lepszej sprawności od 90% do 92% przy gęstości mocy 100W/cal³. Zasilacz nadaje się do użytku na całym świecie przy napięciu wejściowym od 85 do 265V_~ i częstotliwości od 47 do 63 herców (Hz).

Podstawowe połączenie

Podstawowy schemat z komponentami zewnętrznymi, w tym zewnętrznym wejściowym filtrem EMI, pokazano na ilustracji 3.

Ilustracja 3: podstawowe połączenia zewnętrzne modułu zasilania PFH500F obejmują zewnętrzny filtr EMI po lewej stronie. (Źródło ilustracji: TDK-Lambda)

Ten rodzaj zasilania jest dobrym wyborem dla trudnych warunków panujących w tradycyjnych i inteligentnych fabrykach, jakie przedstawiono na ilustracji 4.

Ilustracja 4: moduł zasilania PFH500F spełnia rygorystyczne wymagania testowe w trudnych warunkach środowiskowych. (Źródło ilustracji: TDK-Lambda)

Rygorystyczne testy wykazują pozytywne wyniki, szczególnie w przypadku wyładowań elektrostatycznych (ESD), zakłóceń o częstotliwościach radiowych (RFI) i odporności na zakłócenia elektromagnetyczne.

Podział statyzmu w pracy równoległej

Dodatkowy spadek napięcia w zasilaczu, czyli statyzm, jest proporcjonalny do pobieranego obciążenia. Gdy dwa zasilacze mają być połączone ze sobą w celu zwiększenia mocy lub podziału obciążenia, wówczas należy zastosować model z trybem równoległym, taki jak PFH500 firmy TDK-Lambda. Dodatkowy spadek napięcia jest proporcjonalny do pobieranego obciążenia, tak więc gdy dwa lub więcej zasilaczy jest połączonych równolegle, obciążenie wyjściowe jest dzielone między zasilacze. Jeśli jeden z równoległych zasilaczy spróbuje dostarczyć więcej prądu, jego parametry wyjściowe nieznacznie spadną, a pozostałe zasilacze zrównoważą to zjawisko (ilustracja 5).

Ilustracja 5: opcja podziału prądu w trybie statyzmu w modelu PFH500 umożliwia równoległą pracę z innymi zasilaczami w celu podziału obciążenia. (Źródło ilustracji: TDK-Lambda)

W celu uzyskania optymalnych parametrów wszystkie zasilacze powinny mieć ustawione wyjścia na to samo napięcie. Regulacja obciążenia PFH500 (wersja 28V) (bez statyzmu) wynosi 28mV, czyli 0,1%, przy V_IN = 115/230V_~.

Możliwość chłodzenia płyty bazowej

Przewodzenie ciepła jest definiowane jako przechodzenie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze przez bezpośredni kontakt. Na przykład model PFH500 ma płaską powierzchnię (płytę podstawy), która jest zaprojektowana do montażu bezpośrednio na zewnętrznym radiatorze lub chłodnicy, które odprowadzą ciepło z urządzenia zasilającego poprzez bezpośredni kontakt, tym samym chłodząc je (ilustracja 6).

Ilustracja 6: moduł zasilania, taki jak PFH500, jest chłodzony przez przewodzenie ciepła za pomocą radiatora (Źródło ilustracji: TDK-Lambda)

Więcej informacji na temat chłodzenia zawiera dokument „Techniques for Cooling Power and Other Electronic Devices” („Techniki chłodzenia zasilaczy i innych urządzeń elektronicznych”).

Inne korzyści dla projektantów

PFH500 oferuje inne korzyści dla projektantów,, między innymi takie jak:

• powlekana metalowa obudowa z wypełnieniem pomagająca obniżyć emisję promieniowania i poprawiająca wytrzymałość na wstrząsy i wibracje
• wewnętrzna izolacja cyfrowa (optoizolacja nie jest tak niezawodna)
• wejściowy filtr EMI z ochroną przeciwprzepięciową zapobiegający zakłóceniom/przerwom zasilania
• wewnętrzny przekaźnik udarowy i obwód chroniący zasilacz przed uszkodzeniem
• zdalne wykrywanie umożliwiające dokładną kontrolę napięcia poprzez kabel do oddalonego odbiornika
• niezawodność dzięki wewnętrznej ochronie przed przegrzaniem i przetężeniem
• funkcja monitorowania VBUS zabezpieczająca przed nadmiernym i zbyt niskim napięciem, która zapewnia nieprzerwaną pracę
• programowanie w obwodzie na przykład poprzez inteligentny system
• standardy bezpieczeństwa zwiększające niezawodność

Zacznijmy od płytek ewaluacyjnych

Płytki ewaluacyjne do testów są ciekawym rozwiązaniem, ponieważ skracają czas wprowadzenia produktu na rynek. Konstruktorzy będą mogli uzyskać pliki Gerber dla płytek ewaluacyjnych firmy TDK-Lambda, które pomogą zoptymalizować układ płytek w systemach i które można wstawić do systemu z architekturą o większym układzie.

Istnieją trzy płytki ewaluacyjne PFH05W:

• Zestaw ewaluacyjny PFH05W28-1D0-EVK-S1 z modułem PFH500F-28-1D0-R
• Zestaw ewaluacyjny PFH05W-001-EVK-S0 bez modułu zasilania
• Zestaw ewaluacyjny PFH05W28-100-EVK-S1 z modułem PFH500F-28-100-R

Każdy z nich upraszcza wstępną ewaluację modułu zasilania, skracając tym samym czas wprowadzania produktu na rynek, ponieważ zawierają one wszystkie niezbędne elementy zewnętrzne potrzebne do testowania. Uwaga: może być potrzebny zewnętrzny dopływ powietrza w celu schłodzenia radiatora modułu podczas pracy z obciążeniem. Radiator TDK-Lambda HS00110 można zamówić w ilościach produkcyjnych (ilustracja 7).

Ilustracja 7: płytki ewaluacyjne PFH05W i PFH500F skracają czas wprowadzenia produktu na rynek i pozwalają na demonstrację wydajności dla konkretnych potrzeb konstruktora. Można dodać chłodzenie zewnętrzne, takie jak radiator HS00110 (ilustracja). (Źródło ilustracji: TDK-Lambda)

Te trzy płytki ewaluacyjne będą wymagały jednofazowego, regulowanego źródła napięcia prądu przemiennego (patrz osobne karty charakterystyki każdej płyty w celu określenia odpowiedniego rozmiaru dla danego źródła wejściowego), multimetru prądu stałego od 0 do 500 woltów, odpowiedniego obciążenia wyjściowego (patrz indywidualne karty charakterystyki, w celu określenia odpowiedniej wielkości obciążenia) oraz wentylatora zapewniającego przepływ powietrza do radiatora na płytce.

Uwaga dla użytkownika: przed wykonaniem podłączeń elektrycznych do płytek ewaluacyjnych należy upewnić się, że wszystkie kable wejściowe i wyjściowe są odłączone od napięcia.

Alternatywne zastosowania

Omawiana seria zasilaczy o wejściowym prądzie przemiennym i wyjściowym napięciu 28V może być również używana w innych trudnych warunkach, takich jak dostępne od ręki komercyjne zasilacze COTS dla wojskowych platform pojazdów lądowych lub systemy montowane w szafach takich jak VMEbus (magistrale Versa Module Europa lub Versa Module Eurocard). Modele PFH500F można z powodzeniem zastosować także w źródłach zasilania pomp jonowych, które są wykorzystywane na przykład w mikroskopach elektronowych.

Podsumowanie

Seria PFH500F-28 jest doskonałym wyborem w trudnych warunkach środowiskowych, w których niemożliwe byłoby zastosowanie standardowych zasilaczy, ze względu na podstawowe cechy takie jak wysoka odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, RFI i inne zakłócenia, a także na wstrząsy, wibracje i ekstremalne temperatury. Ponadto duża gęstość mocy, modułowa konstrukcja i niewielkie rozmiary umożliwiają uzyskanie kompaktowych zasilaczy w ogólnie większych zastosowaniach.

Zastosowanie protokołu PMBus umożliwia autodiagnostykę, zdalne monitorowanie i przesyłanie danych wymaganych do udanej integracji zasilacza z aplikacją IIoT do analizy i utrzymania predykcyjnego.

Dodatkowe zasoby

1. „Techniques for Cooling Power and Other Electronic Devices” („Techniki chłodzenia zasilaczy i innych urządzeń elektronicznych”).