DС/DC-преобразователи SynQor для питания радиоаппаратуры

Введение

Требования, предъявляемые к радиоаппаратуре, которыми руководствовались разработчики 90-х годов прошлого века, с недавнего времени подверглись существенному пересмотру и изменениям. Так, в наши дни уделяется особое внимание не только функциональным характеристикам, но и массогабаритным показателям и оптимизации расхода электроэнергии, что крайне существенно при работе от аккумуляторов. В свою очередь, подверглись пересмотру и подходы к проектированию систем питания для радиоаппаратуры нового поколения как гражданского, так и военного применений.

Радиоаппаратура имеет множество классификаций, которые, как правило, отражают область применения и косвенно массогабаритные параметры. Так, можно выделить аппаратуру радиосвязи сухопутного наземного, морского, авиационного и космического применений, и это далеко не полный перечень классификаторов. По требованиям устойчивости к воздействию радиации и надежности особое положение занимает радиоаппаратура космического применения. При этом прочую радиоаппаратуру можно условно разделить на две основные группы: неперемещаемая и подвижная.

Неперемещаемая радиоаппаратура априори подразумевает наличие приемопередающих устройств большей мощности, в сравнении с подвижной, но к ней предъявляются менее жесткие требования по массогабаритным параметрам, при этом питание осуществляется от бытовой или промышленной сети энергоснабжения. Неперемещаемую радиоаппаратуру, как правило, устанавливают внутри помещений, в отличие от подвижной, поэтому требования устойчивости к климатическим воздействиям существенно мягче. Однако в связи с повышением мобильности связи в настоящее время ключевая роль принадлежит подвижной радиоаппаратуре.

Подвижную радиоаппаратуру можно разделить на три основные категории: стационарная возимая, стационарная носимая и мобильная. Системы питания для каждой из этих категорий имеют ряд особенностей, так, для мобильной характерно использование энергии аккумуляторов, а для прочих — питание от бортовой сети (12/24/50/75/110 В постоянного тока). Наиболее распространенной является бортовая питающая сеть с номинальным напряжением 12 и 24 В постоянного тока, но стоит отметить, что для некоторых функциональных модулей радиоаппаратуры требуется напряжение 50 или 75 В [1, 2, 3].

Как было отмечено выше, в современных наземных транспортных средствах напряжение бортовой питающей сети составляет 12 и 24 В (для авиации эта величина равняется 27 В [4]), однако при реальных расчетах следует учитывать не номинал бортовой сети, а диапазон его изменения при запуске и работе двигателя. Например, для авиационной бортовой сети допускаются просадки напряжения не более 1 с до 10 В и кратковременные скачки (<5 мкс) до 50 В, а для сухопутной подвижной техники изменение напряжения может варьироваться от –10 до 30% от номинала [1, 2, 3, 4].

Вторым важным вопросом при разработке радиоэлектронной аппаратуры является выбор архитектуры питания. Разработчики могут остановить свой выбор либо на централизованной, либо на децентрализованной схемах. У каждой из них есть свои особенности, например, при требовании наличия большого числа питающих напряжений рекомендуется остановить свой выбор на децентрализованной схеме с промежуточной шиной (Intermediate Bus Architecture, IBA), что позволит существенно улучшить массо-габаритные показатели, снизить потери при преобразовании энергии и стоимость конечной продукции (рис. 1) [5].

Рис. 1. Пример структурной схемы питания с архитектурой IBA

При небольшом числе необходимых номиналов питающих напряжений (2–4 ед.) и жестких требованиях по помехам разработчики чаще выбирают децентрализованную архитектуру без промежуточной шины питания, особенностью которой является использование нескольких DC/DC-преобразователей для непосредственного питания нагрузки и оконечных регуляторов напряжения (Point-Of-Load, POL). Такая архитектура (рис. 2) позволяет осуществлять питание энергоемких нагрузок непосредственно от DC/DC-преобразователя, минуя регулятор напряжения, что повышает надежность конечной продукции [5].

Рис. 2. Пример структурной схемы распределенной системы питания

DC/DC-преобразователи группы InQor

Компания SynQor для промышленной и потребительской электроники с высокими требованиями по надежности серийно производит DC/DC-преобразователи группы InQor. Их особенностью является двойное преобразование напряжения (рис. 3), суть его заключается в следующем: сначала входное напряжение подается на внутренний EMI-фильтр, затем понижается до некоторого базисного уровня в первичном преобразователе (Step-Down) и после этого повышается или понижается до требуемого значения во вторичном преобразователе с гальванической изоляцией. Все цепи обратной связи и управления имеют оптическую изоляцию с высокой надежностью.

Рис. 3. Обобщенная структурная схема DC/DC-преобразователей SynQor

Группа InQor представлена 13 сериями, различающимися по величине входного напряжения. Для радиоаппаратуры наибольший интерес представляют серии IQ18, IQ24 и IQ32 (табл. 1). Стоит отметить, что все DC/DC-преобразователи выполнены в стандартных герметизированных компаундом корпусах с типовым расположением контактов (в отличие от многих других производителей) и рассчитаны на эксплуатацию при температуре от –40 до +100 °C без потери мощности. Для снижения электромагнитных помех при преобразовании энергии используется фиксированная частота преобразования (для разных серий варьируется в диапазоне 240–350 кГц), в свою очередь пульсации не превышают 1% от номинала выходного напряжения.

Примечание: * Значение выходного напряжения выбирается из ряда.

DC/DC-преобразователи группы InQor имеют широкие функциональные возможности, такие как:

• дистанционное включение/отключение;
• параллельное подключение к нагрузке;
• регулирование выходного напряжения в диапазоне от –20 до 10% относительно номинала;
• внешняя синхронизация;
• дополнительный канал выходного напряжения для системы управления;
• контроль выходного напряжения на нагрузке с корректировкой потерь на проводах.

DC/DC-преобразователи группы MilQor

Для радиоаппаратуры транспорта и наземной военной техники компания SynQor предлагает использовать DC/DC-преобразователи подгруппы Mil-COTS группы MilQor. Mil-COTS представлена восемью сериями, по аналогии с InQor. Для применения в радиоаппаратуре наиболее интересны серии MCOTS-28E и MCOTS-28VE (табл. 1). DC/DC-преобразователи Mil-COTS являются очень схожими с InQor: используют схему с двойным преобразованием напряжения, содержат оптическую изоляцию цепей обратной связи и управления, идентичные функциональные возможности, электрические параметры и конструктивные особенности. Но имеют и ряд отличий, в первую очередь диапазон рабочей температуры от –55 до +100 °C, и соответствуют Mil-STD-883F в части стойкости к климатическим воздействиям [7].

Группа MilQor представлена также изделиями подгруппы Hi-Rel, предназначенными для применения в авиации. Особенностью таких изделий является расширенный диапазон температур эксплуатации от –55 до +125 °C, повышенная устойчивость к вибрациям, перепадам давления и температуры, а также соответствие требованиям американских стандартов, аналогичных ГОСТ 19705-89.

Конструктивно DC/DC-преобразователи Hi-Rel существенно отличаются от рассмотренных выше и имеют больше сходства с гибридными преобразователями, но изготовлены по инновационной технологии корпусирования QorSeal.

Основу конструкции полноразмерного Hi-Rel преобразователя, выполненного по технологии QorSeal, составляет цельнометаллический корпус из алюминия с защитным никелевым покрытием, обеспечивающим защиту от атмосферных воздействий, слабых органических кислот, растворов солей и щелочей (рис. 4). Для еще большего защитного эффекта на никелевое покрытие гальванически наносится тонкий слой золота. Соответственно, внешне Mil-COTS и Hi-Rel DC/DC-преобразователи также имеют существенные различия (рис. 5) [8].

Рис. 4. Корпусирование по технологии QorSeal

Рис. 5. Конструкция DC/DC-преобразователей MilQor

На рис. 4 показано, что печатная плата Hi-Rel преобразователя (ПП) не имеет непосредственного контакта с цельнометаллическим корпусом, поскольку ее крепление осуществляется за счет боковых П-образных планок, выполненных из полимерного материала. После размещения ПП в корпусе сборка фиксируется четырьмя шплинтами. Стоит отметить, что боковые П-образные планки также обеспечивают фиксацию выводных электрических контактов и выполняют функцию боковых стенок Hi-Rel преобразователя.

Технология QorSeal предусматривает процедуру герметизации Hi-Rel преобразователей, которая производится путем заполнения теплопроводным компаундом внутренней полости. Компаунд подается под небольшим давлением через технологическое отверстие в корпусе, обеспечивая герметизацию и отвод тепла от компонентов. После затвердевания вытекший компаунд удаляется, а поверхность Hi-Rel преобразователя полируется с последующим нанесением на нее маркировки [8].

Особо стоит упомянуть о самой печатной плате. Специалисты SynQor отказались от электролитических и танталовых конденсаторов в Hi-Rel преобразователях, а силовые полупроводниковые компоненты использовали исключительно в компактных корпусах. С одной стороны, это позволило добиться устойчивой работы в широком диапазоне температур эксплуатации, а с другой — обеспечило снижение габаритов. Однако использование силовых полупроводниковых компонентов в компактных корпусах обозначило проблему локального перегрева, а применение исключительно керамических конденсаторов привело к значительному увеличению числа компонентов (табл. 2). Все это подтолкнуло к использованию многослойной ПП, которая позволила увеличить плотность монтажа электронных компонентов, а с помощью дополнительных металлизированных слоев решить проблему локального перегрева за счет перераспределения тепловой энергии, при этом собственно съем тепла производится за счет теплопроводного компаунда [7].

Заключение

При проектировании радиоэлектронной аппаратуры инженерам приходится решать множество технических задач, в числе которых обеспечение электромагнитной совместимости, построение архитектуры питания с учетом таких факторов, как область применения, рабочее напряжение, характер нагрузки, количество номиналов выходного напряжения, требования к изоляции выходных и сигнальных цепей и пр., а также снижение массогабаритных показателей. Существенно упростить решение поставленных задач может применение DC/DC-преобразователей и EMI-фильтров питания компании SynQor, которые выпускаются для индустриальных приложений, транспорта, военной и авиационной техники.