PDFs

Новости

Литература

Схемы

Форум

Блоги

Реклама

Читать @chipinforu
Мне нравится

А. Гончаров

DC-DC модули серии Мираж

    Первичный источник электроэнергии в виде электромеханического генератора, аккумулятора, химической или солнечной батареи, выпрямленного напряжения сети переменного тока обычно непригоден для электропитания устройств микроэлектронной аппаратуры. Необходимо улучшить качество первичной электроэнергии - сделать напряжение стабильным, уменьшить пульсации, получить необходимые номиналы напряжения, обеспечить гальваническую развязку, воспрепятствовать проникновению в аппаратуру губительных перенапряжений и помех. Для этого в современной микроэлектронной аппаратуре (МЭА) широко применяют модули электропитания, преобразующие с гальванической развязкой напряжение одного номинала в напряжение другого - конверторные модули класса DC-DC [1,2].

    Выпускаемые фирмой ООО "АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания" (Москва) модули серии "Мираж" были разработаны по заданию 22 ЦНИИИ МО для использования в жестких условиях бортовой аппаратуры при температуре корпуса модуля -60...+85С [3].

    Серия модулей "Мираж" состоит из двух направлений.

    Модули обычной энергетической плотности МДМ7.5, МДМ15, МДМ30, МДМ60, МДМ120 выполнены в корпусах средних габаритных размеров. Данные модули предназначены для работы в самых жестких температурных условиях, поскольку развитая поверхность их корпусов позволяет легко достигать максимальную мощность с минимальными по площади радиаторами. В ряде случаев можно обойтись вообще без радиаторов.

    В этих модулях используется в основном традиционная отечественная элементная база: МОП-транзисторы КП767, КП812, КП813 и диоды Шоттки КД270, КД271, КД273 в корпусах ТО220. Используются микросхемы в металлокерамических корпусах серии 564, а также КР142ЕН19а, КР1173СП1, чип-конденсаторы К10-17в, К10-47в, К53-22. В дросселях и трансформаторах применяются DC-DC МОДУЛИ СЕРИИ МИРАЖ сердечники из МО-пермаллоя МП140 и из феррита 2000НМ-1.

    Появление на отечественном рынке новой элементной базы позволило создать новое направление модулей повышенной энергетической плотности по принципу - в корпусе модуля с выходной мощностью 7,5 Вт МДМ7.5 теперь размещается модуль мощностью 15 Вт МДМ15П, в корпусе модуля с выходной мощностью 15 Вт МДМ15 - модуль мощностью 30 Вт МДМ30П и так далее. Данные модули требуют тщательного теплового проектирования, так как необходимо отводить тепло от относительно малых поверхностей корпуса модуля.

    В модулях повышенной энергетической плотности МДМП5, МДМП7.5, МДМП15, МДМП30, МДМП60, МДМП120 используется новая элементная база - аналоги зарубежных микросхем UC3843BVD1, UC3825, UC431 в корпусах SO-8, аналоги МОП-транзисторов IRF640S, IRF210N, IRF540 в корпусах Dpak и D2pak для поверхностного монтажа, используются новые чип-конденсаторы с повышенными удельными емкостями. В данных модулях увеличена рабочая частота, благодаря чему уменьшены размеры входных и выходных фильтров.

    Используется 7 типоразмеров алюминиевых корпусов - А, Б, В, Г, Д, Е, Ж. Каждый типоразмер корпуса модул может быть представлен по выбору потребителя в виде обычного штампованного тонкостенного корпуса или усиленного фрезерованного (рис. 1). Обычные корпуса содержат внутренние резьбовые втулки для крепления к печатным платам и, при необходимости, к радиаторам, усиленные корпуса для этих же целей имеют резьбовые отверстия во внешних приливах корпуса.

Рис. 1. Корпуса модулей "Мираж": обычный (а) и усиленный (б)

    В табл. 1 приводятся конструктивные параметры корпусов.

Таблица 1

Типоразмер	L, мм	L1, мм	W, мм	Н, мм	Поверхность охлаждения корпуса, см2
А	30	37	20	10	22
Б	40	47	30	10	38
В	48	56	33	10	48
Г	58	66	40	10	66
Д	73	83	53	13	110
Е	95	105	68	13	172
Ж	110	120	84	13	235

    Схемотехнически модули "Мираж" выполнены на основе широтно-импульсного преобразователя (рис. 2). Силовой транзистор VT1 периодически открывается и закрывается контроллером с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). С помощью трансформатора Т1 энергия первичного источника электропитания передается на вторичную сторону. Выходные напряжения трансформатора выпрямляются диодами VD1, VD2 и передаются на выход. Изменяя относительную длительность импульсов открытого состояния VT1, контроллер ШИМ с помощью отрицательной обратной связи (ООС) имеет возможность обеспечивать стабилизацию выходного напряжения. Рабочая частота преобразования около 200 кГц. В схеме имеются элементы управления, защиты от короткого замыкания, перегрузки по току, защиты от превышения выходного напряжения, тепловой защиты.

Рис. 2. Электрическая схема модулей

    Одноканальные и двухканальные модули работают с одной из сетей входного напряжения 1018, 1836, 3672 В. Выходные напряжения устанавливаются по заданию потребителя в диапазоне 368 В. Суммарная нестабильность выходного напряжения, включающая нестабильность от воздействия изменений входного напряжения (около 0,5%), тока нагрузки (около 1%), температуры, времени, составляет не более 3% для выхода с положительным напряжением и 7% - для выхода с отрицательным напряжением для двухканальных модулей. Пульсации от пика до пика не более 1% от номинала выходного напряжения.

    Основные параметры модулей "Мираж" приведены в табл. 2.

Таблица 2

Тип модуля	Типо-размер корпуса	Коли-чество выход-ных каналов	Макси-мальная выходная мощность, Вт	Предельная мощность без радиатора при температуре +35°С, Вт	Типовой КПД при выходном напряжении 5В	Защита от КЗ по току, по напря-жению	Тепло-вая защита
МДМ5П	А	1	5	5	0,8	+	-
МДМ7.5П	Б	1,2	7,5	7,5	0,81	+	+
МДМ7.5	В	1,2	7,5	7,5	0,81	+	+
МДМ15П	В	1,2	15	12	0,82	+	+
МДМ15	Г	1,2	15	15	0,82	+	+
МДМ30П	Г	1,2	30	18	0,83	+	+
МДМ30	Д	1,2	30	30	0,83	+	+
МДМ60П	Д	1	60	28	0,82	+	+
МДМ60	Е	1	60	44	0,82	+	+
МДМ120П	Е	1	120	41	0,81	+	+
МДМ120	Ж	1	120	57	0,81	+	+

    Важной особенностью модулей серии "Мираж" с питанием сети 1836 В является их работа с входным напряжением, имеющим выбросы до 80 В в течении 1 с. Это позволяет особенно эффективно использовать модули серии "Мираж" в авиационной и автомобильной МЭА.

    Дистанционное выключение производится подачей на вывод управления потенциала логического нуля относительно вывода - Uвх , например, с помощью открытого коллектора ТТЛ/КМОП микросхемы. Дистанционное включение производится снятием с вывода управления потенциала логического нуля.

    Уровень индустриальных радиопомех, создаваемых модулем, соответствует нормам ГОСТ 25803-83. Модули содержат помехоподавляющие фильтры второго порядка как по входу, так и по выходу.

    Модули имеют гальваническую развязку с напряжением 500 В между входом и выходом, между входом и корпусом и между выходом и корпусом.

    Особо важной проблемой применения модулей является необходимость обеспечения таких тепловых режимов корпуса модуля, чтобы температура корпуса не только не превышала предельного значения +85С, но и был бы необходимый запас для обеспечения надежности. На важность этого указывает тот факт, что среднее время наработки на отказ уменьшается вдвое при повышении температуры модуля на каждые 10С. Это значит, что для обеспечения допустимого перегрева корпуса модуля относительно окружающей среды необходимо использовать теплоотводящие устройства.

    Для модуля, стоящего на печатной плате (рис. 3), с ее вертикальным расположением, можно считать, что его теплоотводящая поверхность равна поверхности охлаждения корпуса, (табл. 1). Для увеличения поверхности охлаждения к модулю может быть прикреплен конвекционный радиатор. Модуль может обдуваться принудительно потоком воздуха, что как бы увеличивает поверхность охлаждения - для обдува небольшой интенсивности, около 0,5-1 м/c, эффективная поверхность увеличивается примерно в 25 раз, в зависимости от конструкции охлаждающей системы и исходных условий. В МЭА может использоваться также кондуктивный теплоотвод (рис. 3), когда модуль прикрепляется к металлической стенке аппаратурного блока или шкафа достаточной толщины.

Рис. 3. Способы обеспечения теплоотвода: естественный конвекционный (а), с использованием радиатора (б), принудительный обдув (в), кондуктивный с использованием конструкций аппаратуры (г)

    На фирме ООО "АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания" используется специальная программа для тепловых расчетов энергетических возможностей модулей при различных условиях эксплуатации. Она позволяет определить оптимальные размеры теплоотводящих радиаторов. Типовые радиаторы высотой 4, 9, 11, 14 и 21 мм с продольным и поперечным расположением ребер для модулей серии "Мираж", рассчитанные под компановочные схемы суммарной высоты 20, 25,4, 30 и 40 мм, производятся ООО "АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники питания" и могут выставляться вместе с модулями.

    На графике (рис. 4) показаны зависимости поверхности охлаждения S (см²) от выходной мощности Р_н (Вт) при заданном КПД (0,82) и заданном перегреве корпуса модуля относительно окружающей среды DT (°C) в условиях естественного конвекционного охлаждения. Такие зависимости можно рассчитать по формуле [4], позволяющей вести расчет с приемлемыми для практики достоверностью и точностью:

S = P_H (1 - КПД) / (КПД * К_Т * DT),

    где К_Т - коэффициент теплопередачи, для обычных условий К_Т = 11,4 Вт/(°С*м²).

Рис. 4. Теплообменные характеристики модулей

    Инженерам, применяющим модули серии "Мираж", полезно запомнить некоторые цифры: на конвекционное отведение 1 Вт рассеиваемой модулем мощности (определяется как Р_Н(1 - КПД)/КПД) в нормальных условиях требуется около 25 см² поверхности для обеспечения перегрева 35°С.

    Для случая использования модулей без радиатора из графиков видно, что самый маленький модуль МДМ5П, имеющий корпус типоразмера А, может обеспечить полную мощность 5 Вт только при перегреве более 40°С. Модуль МДМ7Ю5П, имеющий корпус типоразмера Б, может обеспечить полную мощность 7,5 Вт только при перегреве более 40°С. В то же время, модуль МДМ7Ю5, имеющий корпус типоразмера В, может обеспечить полную мощность 7,5 Вт уже при перегреве 30°С.

    Модуль МДМ15П, имеющий корпус типоразмера В, может обеспечить полную мощность 15 Вт только при перегреве более 50°С, что крайне нежелательно на практике. Очевидно, для нормальной работы МДМ15П потребуется радиатор или вентиляторное охлаждение. В то же время, модуль МДМ15, имеющий корпус типоразмера Г, может обеспечить полную мощность 15 Вт уже при 40°С. Необходимость использования радиатора или вентиляторного охлаждения для этого модуля может появиться в случае обеспечения максимальной выходной мощности при перегревах менее 40°С.

    Предполагалось, что КПД модулей менее 0,82. При большем КПД, что соответствует выходному напряжению 9 В и более, энергетические возможности модулей значительно увеличиваются.

    В табл. 3 приводятся значения макисмальной мощности каждого модуля с учетом его реального КПД при различных перегревах и различных видах охлаждения.

Таблица 3

Тип модуля	Типо-вой КПД при выход. напр. 5 В	Типо-вой КПД при выход. напр. 12 В	Макс. выход. мощн. для 5 В, Вт	Предел. мощн. без радиа- тора при 5В и темпе-рат. пере- грева +50°С, Вт	Предел. мощн. без радиа- тора при 12В и темпе-рат. пере- грева +50°С, Вт	Предел. мощн. без радиа- тора при 5В и темпе-рат. пере- грева +35°С, Вт	Предел. мощн. без радиа- тора при 12В и темпе-рат. пере- грева +35°С, Вт	Предел. мощн. с радиат. площа- дью равной поверхн. корпуса при 5В и пере-греве +50°С, Вт	Предел. мощн. с радиат. площа- дью равной поверхн. корпуса при 5В и пере-греве +20°С, Вт
МДМ5П	0,8	0,86	5	5	5	3,5	5	5	4
МДМ7.5П	0,81	0,87	7,5	7,5	7,5	6,4	7,5	7,5	7,3
МДМ7.5	0,81	0,87	7,5	7,5	7,5	7,5	7,5	7,5	7,5
МДМ15П	0,82	0,87	15	12	15	8,7	11	15	10
МДМ15	0,82	0.87	15	15	15	12	15	15	13,7
МДМ30П	0,83	0,88	30	18	28	12,8	20	30	14,6
МДМ30	0,83	0,88	30	30	30	21	30	30	24,4
МДМ60П	0,82	0,87	60	28	44	20	31	57,2	22,8
МДМ60	0,82	0,87	60	44	60	31	48	60	35,7
МДМ120П	0,81	0,87	120	41	64	29	45	83,6	33,4
МДМ120	0,81	0,87	120	57	100	39,9	70	114	45,6

    Из таблицы следует, что полностью реализовать энергетические характеристики модулей МДМ15П, МДМ30П, МДМ60П, МДМ120П при температуре перегрева 20°С можно, лишь используя вентиляторное охлаждение.

    В схемотехнике и конструкции модулей серии "Мираж" широко применяются новые технические решения (ноу-хау) фирмы ООО "АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники питания", ряд из которых защищен патентами Российской Федерации [5].

    Интересны результаты сравнения основных характеристик модулей серии "Мираж" с характеристиками конверторных модулей DC-DC ведущих зарубежных фирм.

    Впрочем, пусть этим займутся уважаемые читатели.

Литература

1. Гончаров А. Ю. Серийно выпускаемые транзисторные преобразователи электроэнергии // Электроника: НТБ. - 1998.- ╧ 2, 3-4.
2. Гончаров А. Ю. Практика применения конверторных модулей класса DC-DC // Электронные компоненты. - 1999.- ╧ 1-2, 3.
3. Модули и блоки электропитания - 2000 промышленного и военного назначения. Каталог продукции фирмы ООО "АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники питания".- Москва.- 2000.
4. Канев Ю. И., Гончаров А. Ю., Колосов В. И. Отечественная энергетическая электроника: проблемы, тенденции, достижения // Электроника: НТБ.- 1997.- ╧ 6.
5. Гончаров А. Ю. Патенты РФ ╧╧2072617, 2072616, 2076444.- 1994-1997.

Тел./факс: (095) 181 0522, 181 2604
E-mail: alecsan@online.ru