Новое поколение программируемых источников питания мощностью до 5 кВт от TDK-Lambda

Новая серия (рис. 1) унаследовала очень эффективную и уже проверенную многолетним опытом концепцию модульной структуры. Каждый каскад, выполняющий отдельную задачу, будь то корректор коэффициента мощности (ККМ) или выходной фильтр, размещен на отдельной печатной плате. После каскада ККМ энергия поступает и преобразуется в модуле DC/DC-преобразования. Каждый такой модуль имеет мощность 1700 Вт и может включаться в параллель — таким образом, удается получать устройства различных кратных номиналов мощностей. Благодаря данной конструкции прибор становится надежнее, процесс технического обслуживания — намного более эффективным и простым, а разработка модельного ряда и производственная сборка занимает существенно меньше времени.

Рис. 1. Внешний вид программируемого источника питания серии GENESYS+

Первые представленные модели имеют мощность 5 кВт (таблица). При ширине 19″ (483 мм) и высоте стандарта 1U это означает непревзойденную для данного типа приборов удельную мощность. В дальнейшем будут производиться модели мощностью 3,4 и 1,7 кВт с выходными напряжениями 10–600 В.

КПД новой серии существенно превышает параметры GENESYS 5 кВт и составляет 90–92% по сравнению с 84–88% предшественника. При этом весить новое устройство будет менее 7 кг, что вдвое меньше веса его более раннего аналога. Этих показателей инженерам удалось достичь благодаря целому ряду новых, а также усовершенствованных старых решений.

Например, корректор коэффициента мощности имеет активный тип и основан на топологии двух параллельных понижающих каcкадов с фазным сдвигом (Interleaved Buck Converters) и применением техники переключения при нулевом токе (Zero current switching). Такое решение позволяет, с одной стороны, уменьшить выходные пульсации каскада и снизить требования к выходным емкостям, а с другой — минимизирует тепловые потери, что напрямую связано с повышением КПД. Третий плюс заключается в том, что за счет параллельности часть гармоник при наложении компенсирует друг друга, и это дает возможность улучшить показатели электромагнитной совместимости.

Поиск путей повышения КПД DC/DC-каскада привел к отказу от традиционной однокаскадной схемы в пользу двухкаскадного решения, которое на первый взгляд кажется противоречащим логике и самой поставленной задаче. Первый каскад (рис. 2) представляет собой понижающий регулятор Buck с ШИМ-управлением. Он обладает очень высокой эффективностью и берет на себя основную роль в регуляции выходного сигнала. Второй каскад — это полномостовая схема (Full Bridge) с резонансным контуром, что позволяет получить переключение при нуле напряжения (ZVS). Он также играет важную роль развязки между входом и выходом всего прибора. В итоге конечный КПД данной платы достигает 94–95% в области нагрузки 75–100%.

Рис. 2. Блок-схема DC/DC-каскада

Центральная плата управления и обратной связи имеет в своем сердце высокопроизводительный контроллер Freescale (NXP) с ядром Cortex-M4, работающий на частоте 72 МГц, плата дисплея оснащена более простым ядром M0+, а интерфейсная плата построена на базе 168‑мегагерцевого DSP-процессора STMicroelectronics Cortex-M4F. Цифровая технология, во‑первых, расширяет функциональные возможности, доступные пользователю (о чем мы расскажем подробнее), во‑вторых, позволяет достигать более высоких характеристик, а в‑третьих, дает гибкую и надежную базу для тесной взаимосвязи между отдельными узлами и платами прибора.

Так, связь между интерфейсной платой и платой управления осуществляется по 3,6‑МГц шине стандарта UART, а плата дисплея обменивается информацией с интерфейсной платой по интерфейсу I²C на частоте 400 кГц.

В цифровом обмене информацией в новых моделях участвуют даже силовые DC/DC-модули: новая внутрисистемная информационная шина позволяет плате управления ведущего модуля не только постоянно следить за работой силовых модулей внутри источника питания, но и управлять DC/DC-платами параллельно включенных приборов. Поэтому точность распределения токов нагрузки между всеми ИП при параллельной работе значительно выросла, а показатели динамической стабильности выходных параметров при различных возмущающих воздействиях заметно улучшены: они лишь незначительно уступают тем же показателям отдельно работающего ИП. Таким образом, эта запатентованная схема межмодульной коммуникации поможет собирать более эффективные и стабильные системы, состоящие из параллельно работающих блоков. Все, что пользователю необходимо сделать, — соединить ведущий ИП (Master) с каждым ведомым прибором по принципу цепочки (In-Out-In-Out) с помощью специального кабеля параллельной работы. При этом Master автоматически идентифицирует каждое ведомое звено, определяет их количество и настраивает систему так, что оператор вводит и считывает с дисплея суммарные значения выходных параметров (напряжение, ток, мощность), а необходимость ручного ввода количества ведомых ИП (как в случае с параллельным включением серии GENESYS) отпадает. Другими словами, вся система работает как одно целое, а в случае неполадки в одном из блоков выдается сигнал ошибки, что препятствует перегрузке и выходу из строя остальных звеньев. Проведенные на данный момент испытания распространяются на четыре модуля, соединенных параллельно, но цифровое управление позволит увеличить количество параллельно действующих блоков. При необходимости можно заказать набор выходных шин для параллельного соединения четырех модулей (рис. 3).

Рис. 3. Вид сзади при параллельном соединении четырех модулей GENESYS+ с использованием набора для выходных шин

ИП GENESYS+ работают не только в режиме стабилизации тока и напряжения, но и в режиме постоянной мощности (Constant Power Mode). Для реализации данной функции пользователь может задать значение ограничения выходной мощности, и в дальнейшем при изменении выходных показателей тока (напряжения) процессор будет подстраивать выходные значения напряжения (тока) по закону постоянной мощности.

Среди новых функций хочется отметить возможность установки произвольного времени спада/нарастания сигнала тока или напряжения (Slew Rate Control) Настройка данной функции доступна как при управлении с передней панели, так и через интерфейс, а ее реализация осуществляется простым заданием значения изменения выходного сигнала за 1 мс. Пользователь может указать все четыре эти параметра отдельно: для тока или напряжения и для нарастания или спада. В качестве примечания важно отметить, что скорость спада/нарастания не может быть больше, чем физические возможности прибора, отмеченные в спецификации.

При заказе базовой версии любой модели пользователи получат в свое распоряжение не только изолированный аналоговый порт и цифровой интерфейс RS‑232/485, но и USB2.0 и сетевой порт LAN (LXI 1.5). При этом новая серия полностью совместима с линейкой GENESYS и Z+, так как программно управляется с помощью тех же командных языков (GEN и SCPI). В качестве опциональных интерфейсов можно вооружиться шиной GPIB, а также интерфейсной платформой ANYbus, которая в дальнейшем будет поддерживать шины типа Modbus, Profibus, Devicenet, Ethercat и другие.

Притом что новое изделие унаследовало все ключевые элементы и цветовую гамму серии GENESYS, изменения не смогли не коснуться внешнего вида прибора. Прежде всего это новый жидкокристаллический дисплей передней панели, который обладает высокой контрастностью и широким углом считывания показаний. В отличие от предшественников он синего цвета и выдает индикацию с помощью 16 сегментов при одновременной буквенной индикации обо всех основных режимах работы и настройках параметров. В дисплее предусмотрена возможность установки четырех уровней яркости, а также функция затемнения (Dimming) c заданием произвольного времени задержки.

Все настройки источника G+, как и в серии Z+, задаются с помощью системы настроечных меню. Но в отличие от упомянутой серии здесь имеется не три, а пять главных меню: меню основных настроек (системное меню), меню связи, меню защит, режимное меню и триггерное меню. Вход в эти меню настроек при ручном управлении осуществляется нажатием на клавиши передней панели: Syst, Comm, Prot, Conf, Prog (рис. 4). В каждом из этих разделов с помощью энкодеров двойного действия выбирают нужный подраздел и осуществляют выбор параметра и ввод его значения.

Рис. 4. Вид панели управления программируемого ИП серии GENESYS+

Системное меню позволяет определять вид управления (местное или удаленное), работать с выбором ячеек памяти для записи или вызова произвольных функций, осуществлять переход между местной и удаленной обратной связью, включать/выключать схему PRELOAD, настраивать работу дисплея, а также несколько других функций.

Меню связи предназначено для выбора вида активного интерфейса, задания порядкового адреса источника, установки скорости обмена данными, установки IP-адреса и MAC-адреса при работе с LAN-интерфейсом, а также выбора языка программирования.

Меню защит позволяет установить уровень защит по перенапряжению, установить или отключить защиту типа Foldback (отключение выхода при достижении границы установленного тока или напряжения), указать уровень защиты по низкому напряжению и значения задержек срабатывания защиты по низкому напряжению и защиты Foldback.

В режимном меню включаются режимы Start или AutoRestart, можно выбрать вид программирования, диапазоны аналогового управления, настроить режим ограничения мощности и ввести параметры функции Slew-Rate Control.

Триггерное меню настраивает работу входных и выходных триггеров при задании произвольных форм сигнала и при необходимости позволяет установить их задержки.

Одной из основных особенностей является возможность задания произвольных форм выходных сигналов напряжения и тока (рис. 5). Настройки, позволяющие указать данные функции, осуществляются программно посылкой команд или с помощью графических интерфейсов, разработанных производителем (рис. 5а) и доступных в разделе лабораторных источников питания на сайте компании www.tdk-lambda.ru или через запрос по адресу: info@tdk-lambda.ru. Принцип задания остается тем же: создается последовательный список значений тока или напряжения, а также список временных значений, соответствующих необходимому времени задержки сигнала на одном уровне или времени перехода на следующий уровень. Также возможна установка дополнительных параметров, например параметра количества циклов, который предусматривает повторение одной функции необходимое количество раз (на рис. 5 этот параметр равен «1»).

Рис. 5. Возможность задания произвольных функций:
а) окно графического интерфейса;
б) осциллограмма, снятая с выхода ИП

Наcтройки любой заданной формы можно занести в память и в дальнейшем вывести без повторного задания всех параметров и списков. Для этого отведены четыре ячейки памяти. Но в отличие от модуля Z+, обладающего подобной функцией, максимальное количество точек произвольной формы увеличено с 12 до 100.

При симуляции работы аккумуляторных батарей полезной может оказаться новая функция программирования внутреннего сопротивления: пользователь может ввести значение в пределах 0–1000 мОм с шагом 1 мОм, и тогда напряжение на нагрузке будет меняться в соответствии с падением напряжения на внутреннем сопротивлении батареи. При этом дополнительная нагрузочная плата (речь идет о плате preload, благодаря которой время спада напряжения становится более коротким) у новых приборов стала отключаемой. Это еще одно преимущество, позволяющее более безопасно работать в приложениях, связанных с тестированием аккумуляторов, в процессе чего через такую плату может происходить непроизвольный разряд накопленной энергии.

Еще одно новшество затронуло схему управления питанием охлаждающих вентиляторов: скорость их вращения зависит не только от тока нагрузки, как в предыдущих сериях, но при этом является комбинированной функцией внутренней температуры и тока нагрузки. С помощью сигнала ШИМ схема реализует пять уровней скорости вращения с плавным переходом между ними. В условиях динамических нагрузок, в которых источник может найти применение, данное решение обеспечивает более благоприятные характеристики акустических шумов.

Обязательно подчеркнем, что для удобства пользователей будут доступны готовые сборки мощностью 10 и 15 кВт, состоящие из одного ведущего модуля, через который осуществляется все управление, и одного или двух ведомых, не имеющих органов управления с передней панели (рис. 6). Они получили сокращенное название GSP например, GSP100-150 — это сборка, выдающая максимум 150 А при максимальном напряжении 100 В. Помимо удобства эксплуатации, эти сборки позволят оптимизировать денежные затраты при наборе более мощных систем.

Рис. 6. Готовая сборка GSP: 
а) состоящая из двух источников питания серии GENESYS+ мощностью 10 кВт;
б) состоящая из трех источников питания серии GENESYS+ мощностью 15 кВт

Важно отметить, что для применений, где планируется сугубо дистанционное управление без необходимости считывать показания дисплея, любую модель из линейки G+ можно заказать без органов управления с передней панели. Для этого к ее коду просто прибавляется литера B — например, GB30-170.

Несомненно, GENESYS+ обладает целым рядом и уже привычных функций, таких как:

• запоминание последних настроек (Last Setting Memory);
• функции защит от перенапряжения и от перегрузки по току;
• защита типа FoldBack;
• защита от перегрева;
• выбор режима автоматического перезапуска (Auto-Restart) или безопасного перезапуска (Safe Start);
• выносная обратная связь;
• поддержка соединения Multi-Drop
• и многие другие функции.

В статье подробно описаны наиболее яркие функциональные отличия новой серии, чтобы предоставить читателю ясную картину о новом мощном и гибком инструменте, который с успехом найдет свое применение не только в уже знакомых нам промышленных процессах и научных установках, но и в осуществлении новых задач и, о которых мы надеемся узнать в ближайшем будущем.

Все модели GENESYS+ имеют гарантию 5 лет, отвечают стандартам IEC/EN61204 по кондуктивной и излучаемой электромагнитной совместимости для условий промышленного применения (FCC, ч. 15‑A), а также одобрены по стандартам безопасности UL/EN/IEC 60950-1. Более подробную информацию о новых источниках питания можно найти на сайте компании в разделе программируемых источников питания