Источники питания семейства ComPAC

Введение

В 2012 году журнал «Компоненты и технологии» опубликовал цикл наших статей, посвященных построению систем электропитания на базе модулей корпорации Vicor. В первой статье этого цикла [1] рассказывалось о DC/DC-конвертерах Vicor первого поколения (рис. 1), к которому относятся модули семейств VI‑200 и VI-J00 — импульсные преобразователи напряжения постоянного тока, предназначенные для преобразования уровня входного напряжения, стабилизации выходного напряжения и гальванического разделения входных и выходных электрических цепей.

Рис. 1. DC/DC-конвертеры Vicor первого поколения: а) VI-200; б) VI-J00

Для того чтобы на базе такого модуля создать простейший источник питания, не требуется никаких внешних компонентов, кроме входного конденсатора C1 (рис. 2) и четырех помехоподавляющих конденсаторов C2a, C2b, C3a и C3b, рекомендуемых производителем [2].

Рис. 2. Функциональная схема источника питания на базе модуля семейства VI-200/VI-J00

В тех случаях, когда к техническим характеристикам источника питания предъявляются специальные требования, например если необходимо обеспечить высокую устойчивость к входным электромагнитным помехам или низкий размах пульсаций выходного напряжения, то для достижения желаемых характеристик могут потребоваться дополнительные электронные компоненты — такие как входной аттенюатор семейства VI-IAM [3] или выходной фильтр семейства VI-RAM [4]. Схема (рис. 3) и конструкция источника питания заметно усложняются, возрастают стоимость проекта и время, требуемое на его реализацию.

Рис. 3. Функциональная схема источника питания на базе двух модулей Vicor: VI-200 и VI-RAM

Еще более сложная ситуация возникает тогда, когда максимальной выходной мощности одного DC/DC-конвертера оказывается недостаточно и требуется организовать параллельную работу нескольких конвертеров на общую нагрузку в режиме Power Sharing [1, 2].

Эти причины иногда заставляют инженеров — разработчиков электронной аппаратуры отказываться от создания собственного встроенного источника питания и идти по пути поиска уже готового автономного варианта. Такое решение порой бывает связано c дефицитом времени и финансовых ресурсов, отпущенных на проектирование, или отсутствием достаточной квалификации в области разработки импульсных систем электропитания. Именно таким разработчикам мы рекомендуем обратить внимание на группу изделий корпорации Vicor, называемых «конфигурируемые источники питания», к которой относятся несколько семейств автономных источников питания, объединенных конструкцией, функциональным назначением, основными электрическими параметрами и элементной базой. Некоторые параметры таких источников питания задаются потребителем, который самостоятельно может сконфигурировать источник питания на основе своего технического задания (отсюда происходит название этой группы продукции), а затем заказать требуемое изделие через официальных дистрибьюторов корпорации Vicor и получить заказ по истечении заранее оговоренного срока. Потребителю остается лишь правильно соединить источник питания с питающей сетью и нагрузкой, а также обеспечить, если требуется, отвод тепла, выделяемого в процессе эксплуатации изделия.

Корпорация Vicor производит несколько типов конфигурируемых источников питания: DC/DC-источники питания ComPAC, MegaMod и VIPAC Arrays, AC/DC-источники питания FlatPAC, PFC FlatPAC и VIPAC Power System, а также несколько семейств универсальных источников питания, которые могут работать от сети как переменного, так и постоянного тока: MicroPAC, LoPAC, FlatPAC-EN, MegaPAC и др. [5].

В статье приведен обзор семейства ComPAC — конфигурируемых источников питания, построенных на базе DC/DC-конвертеров Vicor первого поколения (рис. 1).

Конфигурируемые источники питания ComPAC

ComPAC — это семейство DC/DC-источников питания с максимальной выходной мощностью от 50 до 600 Вт и количеством выходов от одного до трех. Источники питания этого семейства имеют низкопрофильный корпус (рис. 4), высота которого равна 25,2 мм (со стандартным радиатором), длина — 234,8 мм, а ширина — 63,5 мм (1‑UP), 124,5 мм (2‑UP) или 185,4 мм (3‑UP) в зависимости от того, сколько модулей Vicor входит в состав устройства (табл. 1).

Кроме стандартного корпуса с ребристым радиатором высотой 25,2 мм (рис. 4), доступны еще два других варианта:

• с радиатором, имеющим увеличенную высоту ребер (Extended Heat Sink Package);
• с плоским радиатором, предназначенным для крепления к теплоотводящей поверхности (Conduction-Cooled Package).

У корпуса с увеличенным радиатором высота профиля равна 34,8 мм.

Рис. 4. Источник питания ComPAC в корпусе 2-UP со стандартным радиатором

Для источников питания с пределами изменения входного напряжения от 18 до 36 В существует дополнительное ограничение: максимальная выходная мощность не должна превышать 150 Вт/модуль, а суммарная выходная мощность составляет 300 и 450 Вт для изделий в корпусах 2‑UP и 3‑UP соответственно.

Значения основных электрических параметров и некоторые эксплуатационные характеристики источников питания ComPAC приведены в таблице 1. Потребителю доступен один из пяти диапазонов входного напряжения и 22 номинальных значения выходных напряжений, которые, с учетом допустимых пределов регулировки, перекрывают диапазон от 1 до 95 В. Кроме того, при конфигурировании источника питания можно выбрать один из четырех рабочих температурных диапазонов и задать максимальную выходную мощность по каждому из выходов, максимальное количество которых равно трем. Если выходное напряжение меньше, чем 5 В, задается максимальный выходной ток, значение которого может лежать в пределах от 10 до 120 А.

Целевой областью применения источников питания VI-xC1 и VI-xCW является промышленная автоматика, где широко распространены системы питания с номинальным напряжением 24 В. Источники питания VI-xC3 и VI-xCN предназначены для подключения к сети постоянного тока с номинальным напряжением 48 В, которое повсеместно используется в телекоммуникационной отрасли.

Номинальное входное напряжение источников питания VI-xC6 равно 300 В, а их способность стабилизировать напряжение на нагрузке при изменении входного напряжения в пределах от 200 до 400 В открывает широкие возможности для использования этих изделий не только в сети постоянного тока, но и в составе AC/DC-преобразователей, работающих от бытовой или промышленной сети переменного тока с действующим значением напряжения 220 В. Для построения такого AC/DC-преобразователя дополнительно требуются лишь выпрямитель и сглаживающий фильтр.

По уровню кондуктивных помех источники питания ComPAC соответствуют стандартам British Telecom BTR 2511 и EN55022 (Class B), а по устойчивости к входным импульсным перенапряжениям — British Telecom BTR 2511 и EN‑61000-4-5.

Таблица 2. Электрические параметры и эксплуатационные характеристики
источников питания ComPAC

Примечания. Символ «х» может принимать любое значение из ряда: L, M, P, N, Q, R (табл. 1). V_OUT — номинальное выходное напряжение.

В зависимости от рабочего температурного диапазона источники питания семейства ComPAC делятся на четыре класса: экономический (E), коммерческий (C), индустриальный (I) и военный (M). Эти классы отличаются друг от друга минимальной температурой эксплуатации (табл. 2), причем под рабочей температурой эксплуатации понимается не температура окружающей среды, а температура радиатора в центральной его части. Максимальная допустимая температура эксплуатации для всех источников питания ComPAC равна +85 °C, причем ответственность за то, чтобы температура радиатора не превышала верхний допустимый предел, лежит на потребителе. Разработчик источника питания должен самостоятельно сделать необходимые тепловые расчеты и обеспечить соответствующий отвод тепла, выделяемого в процессе работы источника питания, или с помощью внешней измерительной цепи организовать мониторинг температуры радиатора и принудительное отключение источника питания при достижении верхней границы рабочего температурного диапазона. Для выполнения тепловых расчетов можно воспользоваться данными таблиц 2 и 3, где указаны значения теплового сопротивления между радиатором источника питания и окружающей средой для различных условий свободного и принудительного конвективного охлаждения радиатора.

Максимальную температуру окружающей среды, при которой источник питания сможет отдавать в нагрузку требуемую мощность, можно также определить по графикам Thermal Curves, приведенным в технической документации производителя [5] для всех типов корпусов и двух вариантов исполнения радиатора — со стандартной и увеличенной высотой ребер. Одно из семейств таких графиков (для источников питания со стандартным радиатором и номинальным выходным напряжением от 2 до 7,5 В) представлено на рис. 5.

Рис. 5. Графики температурного дерейтинга источников питания ComPAC с выходным напряжением от 2 до 7,5 В и стандартным радиатором серий:
а) LC;
б) MC, PC;
в) NC, QC, RC

Анализ этих графиков показывает, как сильно может отличаться реальная максимальная выходная мощность источника питания от его номинальной мощности, если не принять дополнительных мер к отводу тепла. Например, источник питания в корпусе 1‑UP (серия LC) с номинальным выходным напряжением от 2 до 7,5 В и номинальной выходной мощностью 200 Вт при комнатной температуре (+25 ±5) °C и естественном конвективном охлаждении не сможет отдать в нагрузку более 75 Вт. Дальнейшее увеличение нагрузки приведет к недопустимому перегреву и автоматическому отключению источника питания. Для того чтобы при той же температуре окружающей среды увеличить максимальную выходную мощность до номинального значения, потребуется, например, или принудительное воздушное охлаждение со скоростью потока 2,5 м/с (500 LFM), или увеличение корпуса до 3‑UP (графики для серии NC приведены на рис. 5). Такого же результата можно достичь, если использовать корпус 2‑UP с увеличенным радиатором (Extended Heat Sink Package) или корпус типа Conduction-Cooled Package с дополнительным внешним теплоотводом, в качестве которого можно использовать любую металлическую поверхность, к которой крепится источник питания (например, стенка шкафа).

Конфигуратор PowerBench

Конфигурирование источника питания семейства ComPAC — это несложный процесс, который сводится к выбору значений параметров из множества допустимых значений. Но для того чтобы сделать эту работу быстро и безошибочно, мы рекомендуем использовать специальный инструмент PowerBench Product Configurators, который корпорация Vicor предлагает в помощь разработчикам источников питания.

Весь процесс проектирования занимает всего несколько минут. Нужно лишь зайти на сайт корпорации Vicor [6], выбрать раздел ComPAC, задать параметры, соответствующие требованиям технического задания, а именно: входное напряжение, количество выходов, выходное напряжение и максимальную мощность по каждому из выходов, рабочий температурный диапазон и, если необходимо, требование соответствия директиве RoHS. Выбрав параметры, нажимаем на кнопку “GET PART NUMBER, PRICE & DELIVERY”, и система проектирования выводит на экран (рис. 6) всю информацию, необходимую для размещения заказа на изготовление источника питания: артикул, цены (на рынках США и Канады) и сроки производства опытных (Prototype Qty) и промышленных (Production Qty) партий. Условия доставки заказа в Россию следует уточнить у официального дистрибьютора корпорации Vicor.

Рис. 6. Фрагмент рабочего экрана конфигуратора ComPAC Power System Configurator

Заключение

Кроме информации коммерческого характера, конфигуратор PowerBench дает прямые ссылки на техническую документацию производителя (ComPAC Data Sheet, Design Guide & Applications Manual), в которой содержатся подробные сведения об источниках питания ComPAC, обзор которых приведен в этой статье.

В будущих выпусках журнала «Компоненты и технологии» мы расскажем о других семействах конфигурируемых источников питания корпорации Vicor, преимущества которых уже оценили ведущие российские разработчики электронной аппаратуры. Источники питания этого класса находят все более широкое применение в авиационной промышленности, аппаратуре связи, поездах, устройствах промышленной автоматики, измерительных системах и других областях.