Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2004 №2

Миниатюрные DC-DC преобразователи C&D Technologies мощностью 0,25 - 1 Вт

Дмитриев Сергей


Настоящая публикация открывает серию статей, посвященных продукции компании C&D Technologies (США), предназначенной для использования в жестких условиях эксплуатации. Дана оценка функционального многообразия DC/DC-преобразователей мощностью до 1 Вт, рассматриваются особенности применения и дополнительные схемы защиты от внешних воздействий.

В декабре 2000 года компания C&D Technologies (США) приобрела подразделение Newport Components Division компании Newport Technology Group Limited (Великобритания), которое было разработчиком и первым в мире производителем маломощных DC/DC-преобразователей с гальванической развязкой в виде законченных компактных модулей для установки на печатную плату.

Первым коммерчески успешным продуктом Newport Components Division стал DC/DC-преобразователь из 5 в 5 В с гальванической развязкой и выходной мощностью 0,75 Вт.

Эта разработка была настолько успешной, что существует в различных модификациях до сегодняшнего дня, теперь уже под брэндом C&D Technologies. За прошедшее время компания разработала и запустила в серийное производство ряд модульных DC/DC-преобразователей с выходной мощностью от 0,25 до 150 Вт.

Именно после того, как Newport Components Division с целью снижения издержек разместила свое производство на Тайване, там появилось множество мелких компаний, копировавших с разной степенью ответственности продукцию Newport Components Division.

Копировались и упрощались схемотехнические решения, элементная база заменялась на более дешевую и, в результате, рынок Юго-Восточной Азии оказался наводнен более или менее дешевыми «клонами» C&D Technologies.

В настоящее время, вследствие обострения конкурентной борьбы, европейский рынок тоже заполнен продукцией так называемых «европейских производителей», которые на самом деле осуществляют контрактное производство, используя ODM-производителей (Original Design Manufacturer), размещая заказы на производство преобразователей под своей «европейской» торговой маркой на не принадлежащих им тайваньских или китайских производственных площадках с соответствующим уровнем качества производства «клонов» C&D Technologies.

С самого начала и до сегодняшнего дня продукция C&D Technologies является образцом достижений технического прогресса и качества продукции. Все производственные площади компании, размещенные в разных точках земного шара, сертифицированы по стандарту качества ISO 9001:2000.

Вся продукция компании сертифицирована по международным стандартам электробезопасности и электромагнитной совместимости. В процессе производства и после него проводятся испытания на устойчивость к воздействию механических и климатических факторов окружающей среды по международным и собственным стандартам.

DC/DC-преобразователи C&D Technologies имеют следующие характеристики:

  • выходная мощность: 0,25–150 Вт;
  • электрическая прочность изоляции: 500–8000 В DC;
  • входные диапазоны напряжений ±10%, 2:1, 4:1 с номиналами 3,3, 5, 12, 24, 48 В;
  • ряд выходных напряжений 0,8–24 В;
  • рабочий диапазон температур –40…+85 °С (полная мощность).

В настоящей статье будут рассмотрены DC/DC-преобразователи C&D Technologies с выходной мощностью 0,25–1 Вт и особенности их применения.

Миниатюрные DC/DC-преобразователи с выходной мощностью 0,25 Вт

Преобразователи серии LME с выходной мощностью 0,25 Вт оптимизированы для работы в маломощных приложениях. Благодаря малому собственному току потребления (около 2,5 мА) они способны обеспечить КПД до 75%. Эти преобразователи прекрасно подходят для создания отрицательного напряжения там, где есть только положительное.

Преобразователи серии LME выпускаются в корпусах SIP4 и DIP8. Электрические параметры и внешний вид преобразователей приведен в таблице 1.

Таблица 1. Электрические параметры преобразователей серии LME с выходной мощностью 0,25 Вт
Таблица 1. Электрические параметры преобразователей серии LME с выходной мощностью 0,25 Вт

Технические характеристики преобразователей серии LME

  • Точность установки выходного напряжения: ±5%.
  • Изменение выходного напряжения (при изменении Uвх на ±1%): <±1,2%.
  • Изменение выходного напряжения (при изменении нагрузки 10–100%): +5…–2,5%.
  • Уровень шумов на выходе (в полосе 20 МГц):<75 мВ (размах).
  • Электрическая прочность изоляции вход-выход: 1000 В DC.
  • Защита от короткого замыкания: кратковременная.
  • MTTF: до 2 767 000 час (при Т = +25 °С по MIL-HDBK-217E).
  • Рабочий температурный диапазон: –40… +70 °С (хранение: –55… +150 °С).
  • Пластмассовый корпус.

Фиксированная частота преобразования составляет 100 кГц (тип.), что позволяет, при необходимости, существенно облегчить фильтрацию шумов на выходе с помощью простых LC-фильтров.

Низкая проходная емкость (25–45 пФ) позволяет снизить прохождение импульсных помех с входа преобразователя на его выход.

Преобразователи полностью совместимы по расположению выводов с 1-ваттными преобразователями серии TME фирмы Tracopower, серии RM фирмы Recom, позволяя без изменения разводки печатной платы повысить КПД электропитания при малых нагрузках.

DC/DC-преобразователи мощностью 0,75–1 Вт и очень низким током утечки серии HPR

Преобразователи серий HPR1XX, HPR4XX и HPR10XX используют новейшие схемотехнические решения и технологии герметизации корпуса, чтобы обеспечить высокое качество и надежность.

Во входном каскаде использован двухтактный автогенератор с фиксированной частотой преобразования 170 кГц, что снижает проблемы биений при использовании этих преобразователей, например, для питания высокочастотных изолирующих усилителей.

Снижение числа внутренних компонентов и высокий КПД гарантируют выcокую надежность преобразователей серий HPR (до 7,9 млн часов при Т = +25 °С по MIL-HDBK-217E). Высокий КПД (до 79%) означает, что внутренняя мощность рассеивания составляет не более 190 мВт (для моделей с 5-вольтовым входом — не более 100 мВт)!

Преобразователи этих серий могут работать и при отсутствии нагрузки, хотя минимальная нагрузка в 1 мА будет необходима для того, чтобы выходные параметры находились в пределах, указанных в документации.

Преобразователи серий HPR1XX и HPR4XX обеспечивают выходную мощность 0,75 Вт и отличаются величиной электрической прочности изоляции.

Преобразователи серии HPR1XX имеют электрическую прочность изоляции с рабочим значением 750 В DC (тестовое напряжение в течение 10 с — 750 В АС, 60 Гц, амплитуда 1060 В).

Преобразователи серии HPR4XX имеют электрическую прочность изоляции с рабочим значением 1000 В DC (тестовое напряжение в течение 60 с — 2120 В АС, 60Г ц, амплитуда 3000 В).

Преобразователи серии HPR1XX выпускаются в трех типах корпусов: SIP7, DIP14 (опция V), SOIC14 (опция W).

Преобразователи серии HPR4XX и HPR10XX выпускаются только в корпусе SIP7. Электрические параметры преобразователей HPR приведены в таблице 2.

Преобразователи серии HPR10XX обеспечивают выходную мощность 1 Вт и имеют электрическую прочность изоляции с рабочим значением 1000 В DC (тестовое напряжение в течение 10с — 750 В АС, 60 Гц, амплитуда 1060 В).

Электрические параметры преобразователей HPR10XX приведены в таблице 3.

Преобразователи серии HPR имеют следующие преимущества:

  • Низкий отраженный ток помех (5–15 мА тип.), создаваемый собственным автогенератором в первичной сети. Так как эта величина контролируется производителем, то можно легко оценить и установить допустимый уровень помех в первичной сети, который будет зависеть от выходного сопротивления источника первичной сети.
  • Очень низкий ток утечки: менее 8,5 мкА эфф. (Uисп = 240 В AC, 60 Гц), что позволяет использовать эти преобразователи для питания медицинских и измерительных устройств. Большинство производителей просто не контролируют этот параметр, а остальные обеспечивают ток утечки до 1 мА!
  • Низкая проходная емкость (25 пФ тип.) позволяет снизить прохождение импульсных помех с входа преобразователя на его выход.
  • Очень высокая температурная стабильность выходного напряжения: 0,01%/°C (тип.), что позволяет использовать эти преобразователи в широком диапазоне рабочих температур.
  • Низкий уровень шумов на выходе (в полосе 10 МГц): 45 мВ (тип., размах).
  • Рабочий температурный диапазон: –40... +85 °С (хранение: –40...+110 °С).

Так как преобразователи серии HPR имеют только кратковременную (не более 1 с) защиту от короткого замыкания (КЗ), для защиты выхода от продолжительных КЗ компания C&D Technologies предлагает схему, изображенную на рис. 1.

Рис. 1. Схема защиты преобразователей серии HPR от короткого замыкания на выходе
Рис. 1. Схема защиты преобразователей серии HPR от короткого замыкания на выходе
Таблица 2. Электрические параметры преобразователей серии HPR с выходной мощностью 0,75 Вт
Таблица 2. Электрические параметры преобразователей серии HPR с выходной мощностью 0,75 Вт
Таблица 3. Электрические параметры преобразователей серии HPR10XX с выходной мощностью 1 Вт
Таблица 3. Электрические параметры преобразователей серии HPR10XX с выходной мощностью 1 Вт
Рис. 2. Схема фильтра, снижающего уровень помех на выходе до 2 мВ (размах)
Рис. 2. Схема фильтра, снижающего уровень помех на выходе до 2 мВ (размах)

Номиналы резисторов для каждой модели серии можно найти в application note dcan-28 на сайте www.cdpoweronline.com.

Для снижения уровня помех на выходе преобразователей серии HPR до беспрецедентно низкого уровня 2 мВ (размах) компания C&D Technologies предлагает схему выходного фильтра, изображенную на рис. 2.

Для достижения наилучших результатов конденсаторы С2 и С3 должны иметь низкое сопротивление на высоких частотах (например, танталовые).

Наиболее опасной для DC/DC-преобразователей является емкостная нагрузка, допустимая величина которой сильно зависит от времени нарастания входного напряжения. Для правильного выбора максимально допустимой емкостной нагрузки компания C&D Technologies приводит в документации графики областей безопасной работы (рис. 3).

Из графиков на рис. 3 видно, что минимально допустимое время нарастания входного напряжения составляет, для серии HPR, 5 мс.

Преобразователи серии HPR полностью совместимы по расположению выводов с 1 Вт преобразователями серии TMA фирмы TRACOPOWER, серии D01 фирмы FRANMAR, серии RE и RB фирмы RECOM, позволяя без изменения разводки печатной платы получить либо более высокий КПД, либо повысить качество изоляции, либо снизить уровень помех.

Таблица 4. Электрические параметры преобразователей серии NME/NKE с выходной мощностью 1 Вт
Таблица 4. Электрические параметры преобразователей серии NME/NKE с выходной мощностью 1 Вт
Рис. 3. Зависимость максимальной емкостной нагрузки от времени нарастания входного напряжения для серии HPR
Рис. 3. Зависимость максимальной емкостной нагрузки от времени нарастания входного напряжения для серии HPR

Миниатюрные DC/DC-преобразователи серий NME/NKE мощностью 1 Вт для жестких условий эксплуатации

Серии преобразователей NME и NKE особенно подходят для изоляции и преобразования напряжений электропитания, что крайне необходимо, когда требуется получить и изолировать питание, скажем АЦП или ЦАП, из питания микроконтроллера.

Гальваническая развязка позволяет получить, например, изолированное отрицательное напряжение питания там, где существует только положительное, и наоборот. Широкий рабочий диапазон температур гарантирует стабильный запуск преобразователей при температуре –40 °С и полную выходную мощность 1 Вт при +85 °С.

Преобразователи серии NME и NKE выпускаются в корпусах SIP4(S) и DIP8(D). Электрические параметры и внешний вид преобразователей приведен в таблице 4.

Технические характеристики преобразователей серий NME/NKE

  1. Точность установки выходного напряжения: ±5%.
  2. Изменение выходного напряжения (при изменении Uвх на ±1%): менее ±1,2%.
  3. Изменение выходного напряжения (при изменении нагрузки 10…100%): +5…–2,5%.
  4. Уровень шумов на выходе (в полосе 20 МГц): <100 мВ (размах).
  5. Защита от короткого замыкания: не более 1 с.
  6. MTTF: до 2 414 000 час (при Т=+25 °С по MIL-HDBK-217E).
  7. Рабочий температурный диапазон: –40… +85 °С (хранение: –50…+130 °С).

Фиксированная частота преобразования 100…140 кГц (тип.) позволяет при необходимости существенно облегчить фильтрацию шумов на выходе с помощью простых LC-фильтров.

Преобразователи полностью совместимы по расположению выводов с 1-ваттными преобразователями серии TME фирмы Tracopower и серии RM фирмы Recom, позволяя без изменения разводки печатной платы повысить КПД и снизить уровень шумов на выходе преобразователя.

Компактные DC/DC-преобразователи серий NMA/NMR/NMV/NMJ мощностью 1 Вт для жестких условий эксплуатации

Преобразователи серий NMA/NMR/NMV/NMJ — это элементарные «кирпичики» для построения системы распределенного электропитания прямо на печатной плате.

  • Серия NMA содержит преобразователи с двумя выходами со средней точкой в корпусах SIP7(S) и DIP14(D) и электрической прочностью изоляции 1000 В DC.
  • Серия NMR содержит преобразователи с одним выходом в корпусах SIP7 и электрической прочностью изоляции 1000 В DC.
  • Серия NMV содержит преобразователи с одним или двумя выходами со средней точкой в корпусах SIP7(S) и DIP14(D) и электрической прочностью изоляции 3000 В DC.
  • Серия NMJ содержит преобразователи с двумя выходами со средней точкой в корпусе SIP7 и электрической прочностью изоляции 5200 В DC.
  • Серия NMD включает преобразователи с двумя изолированными выходами в корпусе SIP7(S) или DIP14(D) и электрической прочностью изоляции 1000 В DC.
Таблица 5. Электрические параметры преобразователей серии NMR/NMV с одним выходом и мощностью 1 Вт
Таблица 5. Электрические параметры преобразователей серии NMR/NMV с одним выходом и мощностью 1 Вт
Таблица 6. Электрические параметры преобразователей серии NMA/NMV/NMJ с двумя выходами со средней точкой и мощностью 1 Вт
Таблица 6. Электрические параметры преобразователей серии NMA/NMV/NMJ с двумя выходами со средней точкой и мощностью 1 Вт
Таблица 7. Электрические параметры преобразователей серии NMD с двумя изолированными выходами и мощностью 1 Вт
Таблица 7. Электрические параметры преобразователей серии NMD с двумя изолированными выходамии мощностью 1 Вт

Электрические параметры и внешний вид преобразователей NMR и NMV c одним выходом приведен в таблице 5.

Электрические параметры и внешний вид преобразователей NMA/NMV/NMJ c двумя выходами со средней точкой приведены в таблице 6.

Электрические параметры и внешний вид преобразователей NMD c двумя изолированными выходами приведены в таблице 7.

Преобразователи серий NMA/NMR/NMV/NMJ/NMD имеют следующие преимущества:

  • Все модели с двумя выходами указанных серий обеспечивают режим гибкого распределения мощности, то есть с одного выхода можно получить до 1 Вт выходной мощности при условии, если общая выходная мощность не превышает 1 Вт. Это свойство особенно важно при импульсной нагрузке, например, при питании интерфейсных схем.

Преобразователи китайского и тайваньского производства и, соответственно, «contract manufacturing», не могут обеспечить такой режим работы. Обычно при перекосе нагрузки в выходных плечах даже на 20–25%, выходные напряжения плеч преобразователя выходят из заданных в документации пределов.

  • Преобразователи серии NMJ обеспечивают беспрецедентно низкую проходную емкость вход-выход — всего 1,6–2,1 пФ и полное соответствие международным стандартам по электробезопасности EN60950, IEC950, UL1950, CSA950.

Такое низкое значение проходной емкости гарантирует низкий ток утечки и отличные динамические характеристики при наличии на входе импульсных помех.

  • Преобразователи серии NMD прекрасно подходят для приложений, где есть нагрузки с разными напряжениями питания, например схемы управления двигателями. Два изолированных выхода экономят расходы и место на печатной плате, объединяя два DC/DC-преобразователя в одном корпусе.
  • Все преобразователи указанных серий имеют рабочий диапазон температур –40…+85 °С (полная мощность) и диапазон температур хранения –50… +130 °С, что позволяет широко использовать их в промышленных условиях эксплуатации.

Компактные DC/DC-преобразователи серии NMF мощностью 1 Вт со стабилизированным выходом и входом дистанционного управления

Эти преобразователи полезно использовать там, где требуется стабильное выходное напряжение при нестабильном входном напряжении. Возможность дистанционного включения-выключения преобразователя особенно полезна в приложениях с флэш-ПЗУ, где требуется управляемый источник напряжения.

Преобразователи серии NMF выпускаются в корпусах SIP7 и DIP14. Электрические параметры и внешний вид преобразователей приведен в таблице 8.

Таблица 8. Электрические параметры преобразователей серии NMF с одним стабилизированным выходом и мощностью 1 Вт
Таблица 8. Электрические параметры преобразователей серии NMF с одним стабилизированным выходом и мощностью 1 Вт

Технические характеристики преобразователей серии NMF

  • Изменение выходного напряжения (при изменении Uвх на ±1%): менее ±0,25%.
  • Изменение выходного напряжения (при изменении нагрузки 10–100%): менее 1,5%.
  • Уровень шумов на выходе (в полосе 20 МГц): 60 мВ (размах, тип.).
  • Защита от короткого замыкания: не более 1 с.
  • MTTF: до 1 307 000 час (при Т = +25 °С по MIL-HDBK-217E).
  • Рабочий температурный диапазон: –40… +70 °С (хранение: –55… +150 °С).

Особенности применения DC/DC-преобразователей с выходной мощностью 1 Вт

Фильтрация входных и выходных шумов

Большинство DC/DC-преобразователей с гальванической развязкой компании C&D Technologies имеет фиксированную частоту преобразования. Это позволяет использовать сравнительно простые фильтры для дополнительной фильтрации выходного напряжения.

Для уменьшения шумов, создаваемых преобразователем на входе или на выходе, необходимо принимать во внимание несколько аспектов. Компания C&D Technologies рекомендует использовать для фильтрации простые пассивные LC-цепи как на входе, так и на выходе преобразователя (см. рис. 4). Можно использовать и простые RC-цепи, однако потери на резисторе будут слишком большими.

  • Собственная резонансная частота индуктивности должна быть значительно выше частоты преобразования преобразователя (обычно частота преобразования для 1-ваттных преобразователей C&D Technologies лежит в районе 100 кГц).
  • Максимально допустимый ток индуктивности должен быть по меньшей мере в два раза больше номинального входного или выходного тока преобразователя.
  • Сопротивление индуктивности на постоянном токе тоже необходимо принимать во внимание для расчета потерь напряжения на индуктивности.

Величины индуктивности и емкости, указанные на рис. 4, справедливы для большинства DC/DC-преобразователей C&D Technologies. Величина емкости выбрана такой, чтобы образовать с входным или выходным конденсаторами преобразователя «pi» (П-образный) фильтр. Величина индуктивности выбрана такой, чтобы образовать эффективный фильтр частоты преобразования вместе с выбранными конденсаторами.

Рис. 4. Фильтры на входе и выходе преобразователя
Рис. 4. Фильтры на входе и выходе преобразователя
Рис. 5. Изменение тока и напряженияна входе преобразователя при запуске
Рис. 5. Изменение тока и напряжения на входе преобразователя при запуске

Ограничение пускового тока

Использование последовательной индуктивности на входе (рис. 4), будет ограничивать и пусковой ток преобразователя (см. рис. 5).

Если на входе преобразователя отсутствует последовательная индуктивность, то входной ток можно рассчитать по формуле

Так как в момент запуска t=0, то уравнение упрощается до

Предположим, что входное напряжение имеет номинал 5 В, а сопротивление печатных проводников и соединительных проводов до входных контактов преобразователя составляет 50 мОм. Тогда пусковой ток составит огромную величину в 100 А, что может создать немало проблем для DC/DC-преобразователя и проводников печатной платы.

Последовательная индуктивность на входе не только фильтрует шумы от внутреннего генератора, но и ограничивает пусковой ток преобразователя.

Максимальная емкостная нагрузка

Простейший способ снижения шумов на выходе преобразователя — подключить к выходу преобразователя конденсатор достаточно большой емкости. Это может быть даже более дешевой альтернативой LC-фильтру, хотя и не такой эффективной.

Но при этом, если емкость на выходе преобразователя будет слишком большой, могут возникнуть проблемы с запуском преобразователя. При запуске преобразователя с большой емкостью на выходе возникает бросок зарядного тока.

Этот ток может быть так велик, что преобразователь может перейти в нестандартный режим работы. В наихудшем случае преобразователь перейдет в режим работы с пониженным напряжением и очень высоким уровнем шумов на выходе.

Рис. 6. Схема защиты от «провала» входного напряжения
Рис. 6. Схема защиты от «провала» входного напряжения
Рис. 7. Передача напряжения на большие расстояния
Рис. 7. Передача напряжения на большие расстояния

Поэтому C&D Technologies обычно рекомендует подключать на выход каждого канала емкость не более 10 мкФ. При использовании на выходе емкости вместе с последовательной индуктивностью (LC-фильтр) для получения очень низких шумов на выходе величину емкости можно увеличить до 47 мкФ.

Более точно рассчитать максимально допустимую емкостную нагрузку на выходе в зависимости от времени нарастания входного напряжения можно по уравнению в application notes dcan-46 на сайте www.cdpoweronline.com.

Устранение зависимости выходного напряжения от «провалов» напряжения на входе

Когда напряжение на входе преобразователя с нестабилизированным выходным напряжением изменяется, напряжение на выходе преобразователя будет претерпевать такие же изменения. Это может происходить из-за бросков нагрузки в первичной сети, вызванных, например, «горячим» включением дополнительных нагрузок.

В этом случае будет полезна простая диодно-конденсаторная схема, которая устранит эту зависимость (см. рис. 6).

Схема содержит диод, питающий электролитический конденсатор большой емкости (обычно 47 мкФ), который является кратковременным источником тока для преобразователя. При «провале» входного напряжения диод запирается и изолирует конденсатор от разряда через другие цепи.

Если добавить на вход преобразователя последовательно включенную индуктивность, то получится очень хороший фильтр. Чтобы снизить падение напряжения на диоде, рекомендуется использовать диод Шоттки с малым прямым падением напряжения.

Передача напряжения питания на большое расстояние

При передаче напряжения питания по длинному кабелю существует несколько причин для использования изолированных DC/DC-преобразователей (см. рис. 7).

  • Подверженность шумам и воздействию электромагнитных помех кабеля очень близки к характеристикам печатных проводников на плате. Изолируя кабель с помощью DC/DC-преобразователей на обоих концах, все шумы кабеля в виде синфазных помех будут подавляться преобразователями.
  • Уменьшение потерь мощности на кабеле передачей более высокого напряжения и меньшего тока с последующим восстановлением исходного напряжения на нагрузке. Это также будет снижать чувствительность передаваемого напряжения к помехам.

Например, оценим потери мощности в системе, имеющей напряжение в первичной сети 5 В и требующей передать на другой конец кабеля это же напряжение 5 В и обеспечить мощность 500 мВт с гальванической развязкой.

Предположим, что сопротивление кабеля составляет 100 Ом. При использовании преобразователя NME0505S для доставки мощности на другой конец кабеля с током нагрузки 100 мА потери на кабеле составят 1 Вт (I2R), то есть вся мощность преобразователя упадет на кабеле.

При использовании NMA0512S на передающем конце кабеля для получения напряжения 24 В для передачи по кабелю и NME2405S для получения 5 В из 24 В на приемном конце кабеля для передачи мощности 500 мВт потребуется ток в кабеле всего 21 мА, что составит потери в кабеле всего 44 мВт!

DC/DC-преобразователи C&D Technologies с выходной мощностью 0,25–1 Вт имеют множество применений в промышленной автоматике и телекоммуникационной технике, которые невозможно описать в одной статье. Примеры применения преобразователей и подробную техническую документацию можно найти на сайте компании в Интернете: www.cdpoweronline.com.

В следующей статье серии будут рассмотрены DC/DC-преобразователи с выходной мощностью 1,5–9 Вт.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке