Радиационно-стойкий DC/DC-преобразователь в оригинальном конструктивном исполнении для размещения в непосредственной близости от нагрузки

№ 6’2014
PDF версия
В статье представлен радиационно-стойкий преобразователь напряжения серии SBP5AS, предназначенный для размещения в непосредственной близости от нагрузки. Благодаря высоким показателям эффективности и небольшой площади основания его можно применять в распределенных системах электропитания современных цифровых устройств в аппаратуре космических аппаратов.

Введение

Увеличение функциональности электронной аппаратуры космических аппаратов (КА) приводит к увеличению энергопотребления. Вследствие значительного возрастания скорости и объемов передаваемой информации возникает необходимость в применении микросхем цифровых сигнальных процессоров, ПЛИС и микросхем памяти, что также приводит к увеличению энергопотребления. Современным микропроцессорам требуется напряжение 1,5 В для питания шины микропроцессора, от 1,8 до 2,8 В — для питания самого процессора и быстродействующей памяти (кэш-памяти), а также шины 2,5; 3,3; 5 и 12 В — для питания вспомогательной логики. Кроме того, при переходе процессора от условий обработки при низкой производительности к условиям обработки при высокой производительности возникают существенные переходные процессы в токе нагрузки [1].

Для решения этой проблемы были разработаны DC/DC-преобразователи, размещаемые в непосредственной близости от питаемого функционального узла (нагрузки), так называемые point-of-load (POL) преобразователи. Преимущество локального преобразования напряжения заключается в том, что требуется значительно меньшая длина проводников печатной платы, а при конструировании преобразователей типа POL обеспечивается скорость переходных процессов в токе нагрузки за счет способов компенсации с помощью обратной связи в режиме большого сигнала [1]. Архитектура распределенной системы электропитания на основе преобразователей типа POL широко используется в системах передачи данных и промышленном оборудовании [2, 3].

При эксплуатации на бортовую аппаратуру влияет множество факторов космической среды: глубокий вакуум, невесомость, температура, электромагнитные и корпускулярные излучения, наличие метеорных частиц, магнитных и гравитационных полей планет и звезд и т. д. Но особое значение для применяемых в аппаратуре ракетно-космической техники полупроводниковых изделий имеет воздействие полей ионизирующих излучений космического пространства. Обеспечение требуемой стойкости бортовой аппаратуры к дестабилизирующим факторам космического пространства и особенно к воздействию радиации является одной из важнейших задач при создании КА с длительным сроком активного существования (САС). Для того чтобы космическая аппаратура работала безотказно, следует применять специальные компоненты с повышенной радиационной стойкостью и сертификацией на устойчивость к определенному уровню и характеру радиационных воздействий.

Модули DC/DC-преобразователей являются важными компонентами бортовой аппаратуры КА, к которым предъявляются повышенные требования по надежности и стойкости к дестабилизирующим факторам космического пространства. Эти модули определяют массу и объем КА, так как системы вторичного электропитания составляют до 50% от объема аппаратуры [4]. Особенности конструирования радиационно-стойких гибридно-пленочных DC/DC-преобразователей, различные способы создания систем электропитания КА, методы обеспечения радиационной стойкости и контроль качества таких модулей подробно представлены в [5]. А топологии современных радиационно-стойких гибридно-пленочных DC/DC-преобразователей типа POL для применения в распределенных системах электропитания КА, особенности конструкции, схемотехнические решения, обеспечение отвода тепла и методы испытаний на радиационную стойкость рассмотрены в [6, 7].

Далее в статье представлен радиационно-стойкий стабилизатор напряжения SBP5AS типа POL, выполненный в оригинальном конструктивном исполнении в виде сборки (компоновочного узла) печатных плат в алюминиевых рамках (каркасах) для обеспечения механической прочности. Это изделие разработано специалистами компании International Rectifier. С его выпуском удовлетворена потребность клиентов в 20‑ваттных преобразователях типа POL. В дальнейшем планируется вывести на рынок преобразователи серии SBI, которые будут выполнены по традиционной толстопленочной гибридно-пленочной технологии.

 

Общее представление

Высоконадежный стабилизатор напряжения SBP5AS/xx предназначен для размещения в непосредственной близости от нагрузки для обеспечения высококачественного стабилизированного напряжения постоянного тока от источников стабилизированного и нестабилизированного напряжения. Максимальное значение тока нагрузки — 6 A, выходная мощность составляет 20 Вт и зависит от выходного напряжения, которое регулируется одним резистором. Конструктивно преобразователь SBP5AS выполнен на печатных платах, смонтированных в сборке с алюминиевыми рамками, которые обеспечивают механическую прочность. На рис. 1 показан внешний вид стабилизатора напряжения SBP5AS.

Конструкция регулятора напряжения типа POL SBP5AS

Рис. 1. Конструкция регулятора напряжения типа POL SBP5AS:
а) вид сверху;
б) вид снизу

Стабилизатор типа POL серии SBP разработан для длительной работы в аппаратуре ракетно-космической техники в широком диапазоне температур: от –55 до +115 °C. Конструкция стабилизатора SBP квалифицирована для сохранения работоспособности и параметров при воздействии радиации, включая функционирование в условиях длительного воздействия ионизирующих излучений с низкой интенсивностью, наблюдаемых в космическом пространстве: 10–3–10–2 рад (SiO2/с), а также воздействия одиночных заряженных частиц без возникновения необратимых (катастрофических) отказов, вызываемых одиночными эффектами. Таким образом, стабилизатор напряжения SBP может работать в жестком радиационном окружении, обычно присутствующем на геосинхронных, средних околоземных и низких круговых орбитах, в глубоком космосе и аппаратуре с радиационно-стойкой конструкцией со сроками активного существования до 15 лет. Для приложений, требующих применения радиационно-стойких преобразователей типа POL с более высокой мощностью, доступны стабилизаторы серии SBB, обеспечивающие в нагрузке мощность до 30 Вт или ток до 14 A [7].

Стабилизатор SBP предназначен для работы от входной сети постоянного тока с отклонением напряжения от 3,3 до 12 В. Он преобразует входное напряжение в высокостабильное фиксированное напряжение c минимальным значением 0,8 В и максимальным значением 3,3 В, или до 85% от входного напряжения.

Модель POL серии SBP является неизолированным понижающим синхронным стабилизатором с обратной связью по напряжению. Он имеет несколько важнейших функций, соответствующих потребностям современных систем электропитания. Стабилизатор работает на постоянной рабочей частоте 500 кГц и обеспечивает оптимальные переходные характеристики, низкий уровень пульсации и собственную устойчивость системы. Структурная схема стабилизатора напряжения серии SBP приведена на рис. 2.

Структурная схема радиационно-стойкого стабилизатора напряжения SBP5AS, предназначенного для размещения в непосредственной близости от нагрузки

Рис. 2. Структурная схема радиационно-стойкого стабилизатора напряжения SBP5AS, предназначенного для размещения в непосредственной близости от нагрузки

Модуль SBP предназначен для установки в непосредственной близости от нагрузки и не требует установки внешних фильтрующих компонентов в типовых применениях. Внутренний входной фильтр обеспечивает низкое значение пульсаций тока и стабилизирует входной импеданс. Это позволяет подсоединять внешние проводники с индуктивностью до 2 мкГн, и это не влияет на общие рабочие характеристики преобразователя. Параметры входного фильтра соответствуют выходным параметрам преобразователей серии GH [8]. На рис. 3 представлены график зависимости уровня кондуктивных помех (пульсации) от частоты на входе стабилизатора при индуктивности внешних проводников 1 мкГн и токе нагрузки 6 A.

Пульсации на входе стабилизатора SBP при индуктивности соединительных проводников 1 мкГн и токе нагрузки 6 A

Рис. 3. Пульсации на входе стабилизатора SBP при индуктивности соединительных проводников 1 мкГн и токе нагрузки 6 A

Встроенный выходной фильтр обеспечивает низкие пульсации выходного напряжения и устойчивость контура обратной связи по напряжению. Поэтому параметры внешнего фильтра могут значительно изменяться, что не оказывает влияния на устойчивость контура регулирования. Пульсации выходного напряжения обусловлены током через выходной дроссель, протекающим через выходной конденсатор и его эквивалентное последовательное сопротивление и индуктивность. Среднеквадратическое значение пульсации выходного напряжения без применения какого-либо внешнего фильтра составляет примерно 10 мВ (рис. 4).

Пульсация выходного напряжения без применения внешнего фильтра

Рис. 4. Пульсация выходного напряжения без применения внешнего фильтра

Пульсация по двойной амплитуде (от пика до пика) составляет 38,7 мВ. Применение LC- фильтра с дросселем 20 нГн и конденсатором 470 мкФ с ESR 0,005 Ом снижает значение пульсаций до 15,7 мВ (от пика до пика).

На рис. 5 представлены графики зависимости КПД от нагрузки при наилучшем и наихудшем условиях: минимальное входное и максимальное выходное напряжение; максимальное входное и минимальное выходное напряжение.

Зависимость КПД от нагрузки при различной температуре для модуля SBP

Рис. 5. Зависимость КПД от нагрузки при различной температуре для модуля SBP:
а) входное напряжение 4,7 В, выходное напряжение 3,3 В;
б) входное напряжение 7 В, выходное напряжение 1,2 В

Температурные графики иллюстрируют зависимость сопротивления канала транзистора MOSFET в микросхеме контроллера. При низкой температуре сопротивление канала в открытом состоянии RDS(ON) значительно меньше, чем при повышенной. При высокой температуре токи заряда и разряда в выходном дросселе служат причиной больших потерь, соответственно, на высокой и низкой стороне коммутаторов из-за более высокого сопротивления. При условии фиксированного входного напряжения выход с более низким напряжением требует пропорционально более низкого коэффициента заполнения для ключа на стороне высокого напряжения. Это означает, что ключ на стороне низкого напряжения открыт в течение пропорционально более длительного периода, и протекающие токи будут причиной больших потерь в ключе.

Повышение входного напряжения отрицательно влияет на работу устройства. Во‑первых, ключ на стороне низкого напряжения, очевидно, открыт в течение более длительного времени, а во‑вторых, коммутационные потери на ключе со стороны высокого напряжения экспоненциально выше, так как они связаны с различными значениями энергии C·V2/2 в емкостях ключа.

Выходной дроссель

При ограниченных коэффициентах заполнения (и в связи с этим — более низком выходном напряжении) потери на переменного токе в выходном дросселе значительно выше, чем при больших коэффициентах заполнения. Это обусловлено тем, что энергия на высоких частотах связана с узким импульсом, вызывающим потери, связанные с вихревыми токами в материале сердечника и меди обмотки. Материал сердечника был выбран с учетом этого обстоятельства, а также жестких условий эксплуатации и температурных диапазонов.

Модуль SBP содержит схему защиты от короткого замыкания и перегрузки по току с порогом по току, предустановленным при изготовлении. Допускается функционирование в режиме холостого хода. Для дистанционного включения и отключения есть вход со схемой сравнения, включающий компаратор. Слежение имеет важное значение в применениях с различными напряжениями процессора и входными/выходными интерфейсными схемами. Производители часто рекомендуют особую последовательность запуска в этих случаях, чтобы уменьшить любые конфликтные ситуации на уровне данных. Для повторяемого режима предпочтительно использовать вывод Power Good. Установление последовательности появления напряжений на выходах двух и более модулей может быть выполнено через выводы Enable (включение/выключение) и Track.

На рис. 6 показана схема включения двух стабилизаторов напряжения, где первым появляется напряжение на выходе стабилизатора U1 и только потом на выходе стабилизатора U2. Вход Power Good первого стабилизатора напряжения соединен с входом Enable второго стабилизатора. Напряжение на втором выходе начнет повышаться, когда первый выход сформирует сигнал Power Good, который составляет примерно 1,5 периода времени плавного запуска. Резистор R200 устанавливает напряжение запуска/останова, тогда как R201 служит в большей степени для защиты при очень низких уровнях входного напряжения. (В том случае, если первый преобразователь прекратит функционирование раньше второго преобразователя, — ниже 3 В.)

Последовательность появления выходных напряжений при включении двух стабилизаторов SBP с помощью входа Power Good

Рис. 6. Последовательность появления выходных напряжений при включении двух стабилизаторов SBP с помощью входа Power Good

Для индикации состояния выходного напряжения и подключения цепей внешней обратной связи имеются специальные выходы: Power Good и Vsense (рис. 7).

Габариты модуля — 38,8× 28,8×11 мм, а площадь основания — всего лишь 11,17 см2. Благодаря множеству полезных, защитных и диагностических функций, модуль SBP соответствует большей части требований современных систем питания космических аппаратов.

Преобразователь упрощает процессы разработки и снабжения. Нужно приобрести только одну модель SBP для формирования всех необходимых выходных напряжений. Требуется только один внешний резистор для получения необходимого выходного напряжения: Radj в типовой схеме применения преобразователя SBP5AS/xx (рис. 7).

Типовая блок-схема применения преобразователя SBP5AS: внешний резистор Radj служит для подстройки выходного напряжения

Рис. 7. Типовая блок-схема применения преобразователя SBP5AS: внешний резистор Radj служит для подстройки выходного напряжения

В течение эксплуатационного срока гарантируются выходная мощность и эффективность преобразования в пределах допуска.

Стабилизатор производится и испытывается на предприятии компании International Rectifier, расположенном в Калифорнии. Качество продукции обеспечено сертификационной системой менеджмента качества, соответствующей требованиям стандарта ISO9001 и MIL-PRF‑38534: предприятие аттестовано Агентством материально-технического снабжения МО США (Defense Logistics Agency Land and Maritime). По запросу предоставляется документация об анализе электрических и температурных воздействий и анализе аварийных режимов, отчет исследования параметров надежности, отчеты с результатами исследований радиационной стойкости.

 

Некоторые функциональные возможности и рекомендации по применению

Синхронизация

Несколько POL-преобразователей могут синхронизироваться общим частотным сигналом от внешнего источника сигнала с частотным диапазоном от 425 до 575 кГц. Это позволяет минимизировать шумовые помехи, обусловленные их ключевым режимом работы. Параметры функции синхронизации соответствуют параметрам DC/DC-преобразователей серии M3G и GH.

Контроль состояния выходного напряжения (Power OK Monitor)

Схема контроля состояния выходного напряжения формирует логический сигнал низкого уровня на выводе Pgood, когда выходное напряжение находится за пределами ±10% от номинального значения.

Монтаж сборки и обеспечение отвода тепла

Стабилизатор должен быть закреплен на теплоотводящей пластине или монтажной панели четырьмя винтами. Шасси должно быть механически жестким, а возможности по отводу тепла должны быть достаточными для обеспечения рассеяния тепловой мощности. Типовое значение теп-ловой мощности при полной нагрузке составляет 3,5 Вт, но может быть меньше при низких нагрузках. Микросхема управления установлена на верхней части печатной платы с выходным дросселем, который находится на нижней части печатной платы (рис. 1). Эти компоненты являются основными источниками тепла.

Модуль размещен в алюминиевом корпусе, смонтированном над верхней плоскостью и основанием печатной платы, он содействует отводу тепла от микросхемы управления. Более подробные сведения об особенностях применения преобразователей серии SBP представлены в документе [9].

Технические характеристики стабилизатора напряжения SBP:

  • Поглощенная доза: >100 крад (Si).
  • Гарантируется отсутствие катастрофических отказов при воздействии заряженных частиц по эффектам SEL/SEB/SET/SEGR при пороговых значениях ЛПЭ >86 МэВ∙см2/мг.
  • Диапазон входного напряжения: от 3,3 до 12 В.
  • Выходное напряжение: регулировка обеспечивается внешним резистором в диапазоне от 0,8 до 3,3 В.
  • Номинальная выходная мощность: до 20 Вт, ток нагрузки: до 6 A.
  • Отклонение выходного напряжения: ±2% в конце срока существования.
  • Компенсация падения напряжения на соединительных проводах.
  • Фиксированная рабочая частота: 500 кГц.
  • Командный вход дистанционного включения/выключения со схемой сравнения.
  • Защита от короткого замыкания и перегрузки по току.
  • Низкий уровень пульсаций напряжения с применением входного и выходного фильтров.
  • Не требуются внешние фильтрующие компоненты.
  • Регулируемый плавный запуск.
  • Регулируемый вход защиты от пониженного входного напряжения.
  • Выход контроля состояния выходного напряжения.
  • Установка последовательности формирования выходного напряжения при использовании нескольких модулей через специальные входы.
  • Широкий диапазон рабочих температур: от –55 до +115 °C.

 

Заключение

Преобразователь напряжения серии SBP существенно снижает влияние импеданса проводников системы распределения энергии на печатной плате. Он занимает небольшую площадь печатной платы. Конструкция преобразователя позволяет отводить тепло от основных источников тепла на корпус. Применение при производстве космической аппаратуры радиационно-стойких компонентов обеспечивает высокие показатели радиационной стойкости как к суммарной накопленной дозе радиации, так и к одиночным эффектам, вызываемым одиночными заряженными частицами.

Литература
  1. Лукин А. В. Новые направления развития преобразователей постоянного напряжения (по материалам зарубежной печати) // Электропитание. 2011. № 2.
  2. Марчетти Р. Архитектуры распределенного электропитания // Электронные компоненты. 2011. № 2.
  3. Чанов Л. Микросхемы силовой электроники в распределенных системах электропитания // Электронные компоненты. 2006. № 6.
  4. Заика П. Н., Исаев В. М., Колосов В. А. и др. Совершенствование систем вторичного электропитания ответственных объектов // Электропитание. 2009. № 1.
  5. Жданкин В. Радиационно-стойкие гибридно-пленочные DC/DC-преобразователи — стандартные компоненты систем электропитания космических аппаратов // Компоненты и технологии. 2012. № 6.
  6. Жданкин В. Радиационно-стойкие низковольтные DC/DC-преобразователи для распределенных систем электропитания ракетно-космической техники // Компоненты и технологии. 2011. № 7.
  7. Жданкин В. DC/DC-преобразователи типа POL для применения в аппаратуре авиационной и космической техники // Современная электроника. 2011. № 3.
  8. Жданкин В. Высокоэффективные радиационно-стойкие DC/DC-преобразователи с низковольтными выходами — оптимальное решение для современных цифровых нагрузок // Компоненты и технологии. 2011. № 10.
  9. Schimel P. L., Andersen T. M. A guide to the SBP5AS: A Radiation hardened DC to DC converter module. Application Note AN‑1185. International Rectifier.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *