Оглавление
Поскольку использование электронных устройств постоянно растет в промышленности, транспорте и в медицине, разработчики энергосистем должны обеспечивать высокую производительность в суровых условиях окружающей среды, одновременно соблюдая строгие отраслевые стандарты и требования безопасности. При этом, как всегда, важна цена решения и время, необходимое для его изготовления.
Преобразователи DC-DC постоянно совершенствуются с точки зрения параметров и функциональности, чтобы соответствовать многим современным требованиям. Их размеры становятся всё меньше для достижения более высокой удельной мощности и экономии места. Всё более широкий диапазон допустимых входных напряжений облегчает интеграцию в целевое приложение, а низкий уровень шума и пульсаций, хорошая стабилизация напряжения и функции безопасности, обеспечивают успех во многих проектах.
Здесь рассматриваются DC/DC преобразователи компаний Bellnix, HVM Technology, Murata Power Solutions, Vicor и XP Power. Это компактные устройства с низким уровнем пульсаций и шума, с одним и двумя выходами.
Как работают преобразователи DC-DC
Как следует из названия, преобразователь DC преобразует энергию в области постоянного тока и, следовательно, изменяет уровень напряжения. Выходное значение может быть ниже (понижающий преобразователь) или выше (повышающий), чем входное напряжение. Преобразователи DC-DC могут быть изолированными или неизолированными. В изолированных используется трансформатор для гальванической развязки входа и выхода.
Напротив, неизолированные преобразователи часто используются, когда степень изменения напряжения невелика и нет необходимости обеспечивать дополнительное разделение цепей или заземления.
Главные характеристики преобразователей
Ключевые характеристики преобразователей включают КПД, номинальный выходной ток, напряжение пульсаций и шума, коэффициент стабилизации, переходные процессы, номинальное напряжение, размер и вес. Разработчики также должны учитывать способность преобразователя работать в широком диапазоне входных напряжений. Благодаря этому один модуль можно использовать во многих решениях, сокращая необходимые запасы и обеспечивая простоту интеграции в крупные энергосистемы.
В зависимости от применения также важна устойчивость к скачкам и провалам напряжения, обратной полярности, короткому замыканию и чрезмерной температуре. Точно так же необходимо учесть излучение электромагнитных помех. Это особенно важно, поскольку импульсный принцип работы способствует возникновению радиочастотных излучений, которые могут повлиять на стабильность и работу близлежащих схем. Также необходимо тщательно проверить температурные условия эксплуатации преобразователя, чтобы при необходимости можно было использовать соответствующую вентиляцию и другие методы управления температурным режимом.
Миниатюризация преобразователей
В некоторых схемах, где на печатной плате мало места, необходимы миниатюрные преобразователи DC-DC. Для этих целей разработана серия высокопроизводительных преобразователей высокого напряжения мощностью 1,5 Вт. Элемент представляет собой SiP-решение размерами 44 х 16 х 30 мм и обеспечивает выходное напряжение 1000 В при номинальном токе 1,5 мА. Уровень шума и пульсаций всего 5 мВ.
Эти устройства работают с входным напряжением 11–13 В и силой тока 0,28 А. Остальные доступные модели работают с регулируемым выходным напряжением 0… ±1000 В (0–1,5 мА), 1500 В (0–1,0 мА) и 2000 В. В (0–0,7 мА).
Низкий уровень пульсаций и шума важен для измерительного оборудования, где любая нестабильность источника питания может вызвать сбои в считывании, влияющие на точность. Несмотря на то, что пульсации очень низкие и не требуется добавлять внешние компоненты, можно еще больше снизить уровень и снизить входное сопротивление, если требования устройства были еще более строгими.
Чтобы уменьшить входное сопротивление, возникающее из-за увеличения расстояния преобразователя от источника питания, можно добавить на входные клеммы конденсатор С1. В свою очередь, для снижения уровня шумов и помех стоит добавить на выходе конденсатор С2.
Все преобразователи этой серии имеют встроенную защиту от короткого замыкания и перегрузки по току, а металлический корпус обеспечивает дополнительную экранировку и улучшает охлаждение. Выходное напряжение серии OHV можно регулировать от 0 до 2000 В с помощью внешнего сигнала напряжения или потенциометра.
Семейство преобразователей постоянного тока nHV от HVM Technology подходит для устройств с батарейным питанием. Они имеют выходную мощность 100 мВт при выходном напряжении до 1 кВ. Они выпускаются в корпусе размерами 11,4 х 8,9 мм и высотой 9,4 мм. Коэффициент стабилизации составляет < 0,2% от нулевой до номинальной нагрузки. Такие преобразователи чаще всего питают датчики измерения, например детекторы частиц.
Для устройств nHV требуется входное напряжение 5 В (4,5 В ± 0,5 В). В зависимости от исполнения с их помощью можно получить выходное напряжение от -1200 В (NHV0512N) до 1200 В (NHV0512) при токе 83 мкА. Также имеются версии с выходным напряжением -100 В (NHV0501N) и +100 В (NHV0501) при нагрузке 1 мА.
Данное семейство преобразователей имеет высокоомный вход для регулирования выходного напряжения (100 кОм), что облегчает их применение и исключает необходимость использования регулируемого по напряжению низкоомного источника питания (для регулирования путем изменения напряжения питания). Выходное напряжение не зависит от входного напряжения и пропорционально напряжению на регулирующем входе.
Широкий диапазон входного напряжения
Преобразователи постоянного тока DTJ15 (15 Вт) и DTJ20 (20 Вт) от XP Power, как и серия nHV, также имеют небольшие габариты, но дополнительно могут монтироваться в корпус или размещаться на DIN-рейке и подключаться с помощью винтовых разъемов.
Важной особенностью данных решений является возможность работы в широком диапазоне входных напряжений: от 9 до 36 В и от 18 до 75 В. Это позволяет осуществлять взаимодействие с различными типами аккумуляторов и типами автомобильных сетей, обеспечивая возможность широкое применение в промышленности и телекоммуникационном оборудовании.
Всего в серию входят 14 вариантов 1-выходных преобразователей с напряжением 3,3 В, 5,0 В, 12,0 В и 15,0 В и 2-выходных преобразователей с симметричным выходом ±5,0 В, ±12,0 В и ±15,0 В.
Функция удаленного включения/выключения позволяет управлять преобразователями с помощью программного обеспечения, что помогает контролировать общее энергопотребление путем отключения ненужных блоков. Еще одной важной особенностью является плавный пуск, который постепенно увеличивает выходное напряжение и ограничивает пусковой ток. К функциям защиты также относится защита от КЗ и обратной полярности входного напряжения.
Безопасность инверторов
Железнодорожные, промышленные и транспортные системы требуют короткого времени стабилизации напряжения, высокой динамики реакции на ступенчатое изменение уровня нагрузки и устойчивости к переходным состояниям, например колебаниям. Схема защиты от перегрузки по току защищает преобразователь от повреждений. Когда выходной ток превышает 100%, стабилизация напряжения переходит в режим ограничения тока. В результате выходное напряжение начинает пропорционально уменьшаться для поддержания относительно постоянной выходной мощности. Если температура внутри корпуса преобразователя поднимется выше предельной, датчик температуры, входящий в схему, отключит устройство.
Семейство изолированных преобразователей постоянного тока IRE-Q12 компании Murata оснащено функциями защиты, которые гарантируют, что даже высокие емкостные нагрузки не повлияют на работу. Модуль IRE-12/10-Q12PF-C также соответствует требованиям стандарта EN50155 по обеспечению номинального напряжения при кратковременной потере входного напряжения и в переходных состояниях.
Серия IRE-Q12 имеет один изолированный выход и выходную мощность 120 Вт. Работает в диапазоне входного напряжения от 9 до 36 В в стандартном корпусе. Монтаж предусматривает два варианта крепления к опорной плите: один обеспечивает минимальное занимаемое пространство, а другой — с фланцем для крепления на радиаторе. Выходное напряжение можно регулировать в пределах ±10%, чтобы обеспечить короткое время стабилизации в случае скачков нагрузки.
Автономный и матричный источник питания
DCM2322 компании Vicor представляет собой серию изолированных преобразователей постоянного тока в постоянный ток, которые преобразуют напряжение от 9 до 50 В в выходное напряжение 28 В. В конструкции используется топология переключения с нулевым напряжением, обеспечивающая высокий КПД 93 % во всем диапазоне входного напряжения.
Модульные преобразователи постоянного тока, такие как DCM2322T50T3160T60, занимают небольшую площадь и имеют высокую плотность мощности, которая обеспечивает равномерное распределение тепла и низкое тепловое сопротивление с помощью радиатора.
Эффективное распределение тепла позволяет использовать преобразователи DCM со многими типами источников энергии в энергосистемах PoL. Производитель гарантирует эффективную защиту от перенапряжений на входе и выходе, а в систему встроены дополнительные механизмы обнаружения неисправностей, отключающие преобразователи в случае повреждения.
Эти функции обеспечивают стабилизированное выходное напряжение для заданной номинальной нагрузки и температуры. Если внутренняя температура преобразователя поднимается выше порогового значения, силовой каскад отключается до тех пор, пока он не остынет. Стоит отметить также встроенный помехоподавляющий фильтр и интерфейс управления, обеспечивающие высокую функциональность.
Когда требуется большая выходная мощность по сравнению с той, которую может обеспечить один преобразователь, можно несколько устройств подключить параллельно. Несколько преобразователей DCM можно подключить параллельно в режиме массива, чтобы получить больше энергии за счет разделения мощности, даже если они используют разные источники входного напряжения.
