DC-DC модули питания специального назначения мощностью 60 — 1000 Вт серии МДМ группы компаний Александер Электрик

В статье рассматриваются DC/DC-преобразователи специального назначения серии МДМ мощностью 60–1000 Вт, предназначенные для построения отказоустойчивых систем электропитания.

Модули серии МДМ разработаны в ходе ОКР «Мираж-В», техническое задание на которую согласованно с 22 ЦНИИИ МО РФ и начальником пятого направления Управления развития базовых технологий и спецпроектов УНВ.

Анализ данных таблиц 1 и 2 показывает, что основные параметры, характеризующие надежность и КПД модулей, соответствуют требованиям современной РЭА специального назначения.

Особый интерес в данных модулях представляют функция параллельной работы, которая и будет рассмотрена.

Параллельная работа

Перечислим достоинства модулей, обладающих функцией параллельной работы.

• Главное из них — возможность построения отказоустойчивой системы по принципу N+M.
• Возможность наращивания выходной мощности.
• Возможность получения низкопрофильной конструкции в системах большой мощности.
• Распределение мощности потерь модулей по большей поверхности радиатора, уменьшение локального перегрева.
• Сокращение количества типономиналов модулей электропитания, увеличение числа однотипных изделий и, как следствие, снижение их цены.

Рассмотрим принцип активного выравнивания токов на примере трех модулей МДМ120-1В12МП. Исходно модули с одинаковым выходным напряжением имеют некоторый технологический разброс по точности выставления этого параметра. Расскажем, что произойдет при включении этих модулей без дополнительных цепей параллельной работы (рис. 1а). При таком включении конвертер с самым высоким выходным напряжением будет отдавать весь ток в нагрузку, пока его значение не достигнет 12 A. Здесь его выходное напряжение снизится (активизируется защита от перегрузки по току) до значения 12 В. В этой точке второй конвертер начнет отдавать в нагрузку недостающие 3 А. Третий конвертер будет работать в режиме холостого хода. Выходное напряжение системы в данном случае будет равно 12 В. Величина выходного тока модуля определяет его перегрев, а следовательно, и интенсивность отказов модуля. Поэтому очень важно, чтобы суммарный выходной ток равномерно распределялся между модулями, включенными параллельно, и они работали в одинаковых тепловых режимах. Для этого в модулях создана дополнительная цепь обратной связи по току, которая корректирует выходное напряжение модуля, обеспечивая этим равномерное распределение тока нагрузки. При ее использовании один из модулей с наибольшей установкой выходного напряжения начинает выполнять роль ведущего преобразователя. Отрицательная обратная связь принудительно повышает выходное напряжение других модулей на очень небольшую величину, до значения ведущего. Происходит равномерное распределение тока нагрузки между всеми преобразователями (рис. 1б).

При отказе одного из модулей нагрузка автоматически распределяется между рабочими. В этом случае один из оставшихся модулей с большей установкой выходного напряжения берет на себя роль ведущего.

Выносная обратная связь

Функция выносной обратной связи наиболее востребована в мощных модулях с низкими значениями выходного напряжения и большим выходным током. Как видно на рис. 2а, в результате падения напряжения на печатных проводниках и соединительных проводах реальное значение выходного напряжения на нагрузке ниже номинального.

Использование функции выносной обратной связи позволяет компенсировать падение выходного напряжения на соединительных проводах до 5% от значения выходного напряжения при номинальной мощности на выходе (рис. 2б).

Резервирование

DC/DC-модули электропитания серии МДМ имеют высокие показатели наработки на отказ. Если эти показатели не удовлетворяют разработчика системы электропитания и требуется почти 100%-ная надежность, то необходимо построение системы электропитания, устойчивой к отказам. Есть четыре требования, которые должны выполняться при построении такой системы.

1. Избыточность — в случае неисправности одного из модулей должен быть по крайней мере еще один, чтобы начать работать вместо вышедшего из строя до момента, пока неисправный не будет заменен.
2. Изолирование неисправности — модуль, вышедший из строя, должен изолировать себя от системы так, чтобы это не создало помех для работы других модулей или системы электропитания в целом. Самый простой пример — использование диодов, осуществляющих операцию «ИЛИ».
3. Обнаружение неисправности и ее мониторинг — после возникновения неисправности и перед тем, как ремонт будет закончен, система будет работоспособна (но на уменьшенном уровне надежности из-за меньшего количества функционирующих модулей). Следовательно, важно обнаружить неисправность как можно раньше, чтобы минимизировать время до завершения ремонта. Сначала система должна так или иначе определить, что появилась неисправность. Во-вторых, информация о неисправности должна быть выдана в виде звукового или светового сигнала на компьютер контроля.
4. «Горячая» замена — чтобы поддержать работоспособность системы, ремонт неисправного модуля должен быть сделан при работающей системе электропитания. Поэтому необходимы легкий доступ к неисправной единице и возможность осуществить «горячее» включение.

На рис. 3 показаны основные принципы построения избыточной архитектуры для повышения надежности.

Требуемая выходная мощность во всех примерах принята равной 300 Вт. Неизбыточная система показана на рис. 3а, где единственный конвертер на 300 Вт обеспечивает необходимых выходную мощность в нагрузке.

В избыточной архитектуре число модулей, требуемых для питания нагрузки, составляет число N. Число дополнительных (или запасных) модулей составляет число M. На рис. 3б есть один дополнительный преобразователь мощностью 300 Вт, в результате получается система «1+1». Избыточная система «1+2» показана на рис. 3в. Здесь для питания нагрузки требуется один, но есть два запасных преобразователя. Рис. 3г показывает использование в архитектуре конвертеров мощностью 150 Вт. В этом случае для нагрузки требуется минимум два модуля и один запасной. Это избыточная система «2+1». Несмотря на то что это решение требует меньше места в аппаратуре, при его реализации увеличивается накопленная норма отказов, потому что требуется большее число конвертеров для запитывания нагрузки. Количество дополнительных конвертеров частично определяется наличием свободного места в конструкции и оптимальным соотношением «стоимость — надежность».

Пример практического построения отказоустойчивой системы

Практическое построение отказоустойчивой системы электропитания рассмотрим на примере системы «1+1», принцип «N+1» (рис. 4). Эта схема позволяет получить резервированную систему электропитания минимальной стоимости. Мощность нагрузки может поддерживать один из преобразователей. При параллельном их включении ток нагрузки равномерно распределен между конвертерами.

Предохранители на входе и выходные разделительные диоды изолируют неисправный модуль в случае отказа от остальной системы электропитания. На транзисторе VT1 реализована функция дистанционного управления системой. Использование функции выносной обратной связи позволит скомпенсировать падение напряжения на разделительных диодах и соединительных проводах. В качестве разделительных применяются диоды Шоттки VD1 и VD2, имеющие минимальное падение напряжения. Максимальное обратное напряжение должно быть больше номинального выходного напряжения модулей с некоторым запасом. Максимальный прямой ток диода должен быть примерно в два раза больше максимального выходного тока одного модуля. Предохранители должны быть рассчитаны на ток не менее 1,5…2 × Iвх.макс. Сопротивление резисторов R1–R4 составляет 10–50 Ом.