Новая серия HFE TDK-Lambda: 10 кВт в конструктиве 1U

Общeе описание и характеристики

Серия HFE (рис. 1) — это модули питания AC/DC с универсальным широким входным диапазоном (85–265 В) переменного напряжения и одиночным выходом номиналов 12, 24 или 48 В. Существует две разные линейки: первая с выходной мощностью 1600 Вт (HFE1600) и вторая, выдающая 2500 Вт на выходе (HFE2500). Таким образом, максимальная удельная мощность составляет 28,7 Вт/дюйм³ (1,75 Вт/см³).

Рис. 1. Внешний вид источников питания серии HFE высотой 1U

Модули можно применять как отдельными блоками, так и в специальной 19-дюймовой стойке стандартной высоты 1U для последующего крепления в шкафах этого стандарта. В такую стойку «входит» 5 источников HFE1600 суммарной мощностью 8 кВт или 4 источника HFE2500 суммарной мощностью 10 кВт (рис. 2). В целом возможно параллельное соединение двух стоек для формирования систем еще большей мощности (до 15,2 или 19 кВт) или систем с резервированием N+1.

Рис. 2. Источники HFE в 19-дюймовой стойке: а) HFE1600; б) HFE2500

Такие системы поддерживают функцию «горячего включения»: благодаря специальным коннекторам любой модуль можно вынуть из стойки и вставить обратно без остановки работы всей стойки, что очень удобно при замене неисправного блока. Существует механическая защита, с помощью специальных ключей препятствующая «горячему включению» модели с не соответствующим системе номинальным напряжением выхода (рис. 3).

Рис. 3. Ключи защиты от включения модели несоответствующего напряжения при «горячей» замене источника HFE в стойке

Конечно, стоит отметить высокий КПД. При питании от 220 В он составляет 90% для моделей 12 и 24 В и 92% — для моделей 48 В. Благодаря этому источники отвечают стандарту Climate Savers Computing международного консорциума CSCI, минимизируя рассеиваемую мощность.

В моделях HFE предусмотрена возможность регулирования выходного напряжения в диапазоне ±20% от номинала, что делает их более гибкими для систем с нестандартными номиналами напряжений. Подстройка осуществляется с помощью внешнего потенциометра (который является встроенным, если используется стойка), сигналом внешнего источника аналогового напряжения уровня 0–5 В либо с помощью встроенного источника опорного напряжения 5 В.

Существенным нововведением является внедрение интерфейса PMBus, который при необходимости заказывается как опция. Это стандартный интерфейс, введенный для возможности управлять конверторами с помощью хост-контроллера через цифровую шину. Стандарт PMBus основан на промышленном интерфейсе I²C и полностью совместим с ним электрически и логически. Интерфейс реализован двумя линиями, одна из которых отвечает в основном за передачу битов данных (SDA), а вторая — за тактирование обмена информацией (SCL). Отличие PMBus — это дополнительная линия SMBALERT, предназначенная для оповещения хост-устройства об аварийных ситуациях в управляемой системе. С помощью интерфейса PMBus модулей PFE можно осуществлять мониторинг значений выходного напряжения, выходного тока, температуры критических компонентов, осуществлять дистанционное включение/выключение выхода, считывать и обнулять состояния аварийных регистров, а также программировать выходное напряжение и значение максимального тока (current limit).

Возможность изменять уровень токоограничения — это фактически возможность работать в режиме постоянного тока, поэтому ее можно использовать в различных применениях, требующих стабилизации тока (зарядка аккумуляторных батарей, электролиз и т. д.). Диапазон установки максимального значения тока — от 40 до 120% от значения тока номинальной нагрузки. Характеристику работы в режиме токоограничения для моделей 24 и 48 В можно оценить по рис. 4.

Рис. 4. Кривая работы в режиме ограничения по току: а) для модели HFE1600-24; б) для модели HFE1600-48

Уровень максимального тока можно также программировать внешним источником напряжения от 0 до 5 В либо используя для этого встроенный источник опорного напряжения 5 В.

Стандартные функции HFE — это защита от перенапряжения, перенагрузки и перегрева. Также имеются аналоговые сигналы о состоянии входа (AC fail), выхода (DC OK), сигнал о присутствии ИП в стойке, сигнал оповещения о перегреве (срабатывает при температуре на 10 °C ниже срабатывания защиты) и визуальная сигнализация в виде двух LED-индикаторов на передней панели: один сигнализирует о рабочем состоянии выхода, а второй — находится ли входное напряжение в рабочем диапазоне. Список функций дополняют дистанционное аналоговое включение/выключение, удаленная обратная связь и независимый источник опорного напряжения 12 В.

Новая серия источников HFE имеет гарантию 3 года и отвечает стандартам EN55022 и FCC по кондуктивной (класс «В») и излучаемой (класс «А») электромагнитной совместимости, стандартам IEC61000-4 по помехоустойчивости, обладает знаком СЕ, а также одобрена по стандартам безопасности UL/EN60950-1.

Особенности топологии и описание блок-схемы

Техническое задание для создания такого преобразователя требовало от разработчиков нестандартных инновационных решений. В результате интенсивных исследований была предложена концепция, блок-схема которой представлена на рис. 5.

Рис. 5. Блок-схема AC/DC-преобразователя серии HFE

Разумеется, источник питания данной мощности должен отвечать стандартам по минимизации кондуктивных шумов и поэтому содержит активный корректор мощности. В данном случае используются два каскада повышающего типа, включенные параллельно. Они работают в режиме мягкой коммутации при нулевом токе (Boundary Mode Control), что уменьшает потери мощности при коммутации. Также при наложении шумов за счет параллельности часть гармоник компенсирует друг друга, и это дает возможность улучшить показатели электромагнитной совместимости.

DC/DC-каскад представляет собой полумостовую схему с резонансным контуром, что позволяет получить переключение при нуле напряжения (ZVS). При изменении частоты резонансного контура качество такого переключения меняется, и на граничных частотах это может приводить к значительным потерям на силовых транзисторах, как и в обычных классических схемах. Поэтому было принято решение переключать этот каскад на фиксированной частоте, при которой достигается самая «мягкая» коммутация. Естественный вопрос, который при этом возникает: каким же образом происходит регулирование выходного напряжения?

Для реализации обратной связи было решено использовать третий дополнительный каскад. Он размещается между каскадом корректора мощности и выходным полумостовым каскадом и представляет собой понижающий регулятор Buck с ШИМ-управлением. Обратная связь снимается с выхода источника и воздействует на открытие ключа этого каскада, изменяя его скважность. Таким образом, выходное напряжение этого блока является входным для полумоста, и его изменение пропорционально вызывает изменение наряжения на выходных клеммах.

Чтобы минимизировать объем преобразователя, многие впаиваемые в плату элементы заменены на более низкомощные компоненты поверхностного монтажа, включенные в параллель и размещенные на вертикальных платах. С этой же целью применены печатные платы на металлизированной подложке. Часть компонентов, таких как выпрямительные выходные транзисторы и резисторы, размещена на вертикальных платах, где подложка выполнена из алюминиевого сплава (Aluminum Substrate) толщиной 1 мм, покрытого слоем диоксида алюминия (Al₂O₃), а затем керамикой с однослойной медной разводкой. Диоксидная пленка имеет высокую теплопроводность 20–26 Вт/м•К и в то же время служит очень хорошим изолятором. Ввиду очень высокой теплопроводности этих материалов достигнуто эффективное рассеивание тепла без использования классических радиаторов-хитсингов, занимающих много места в корпусе источника питания.

Еще одно оригинальное решение состоит в том, как работает схема питания охлаждающего вентилятора: разработчики применили схему управления с сенсорами температуры, обеспечивающую температурно-зависимую скорость вращения, а не зависимую от тока нагрузки, как в некоторых сериях TDK-Lambda. В условиях динамических нагрузок, в которых источник может найти применение, это обеспечивает более благоприятные характеристики акустических шумов.

Области применения

Сферы применения серии HFE такие же, как и у предшествующего семейства выпрямителей TDK-Lambda FPS1000. Это телекоммуникационные системы (TCA, ATCA, Data-Centers и подобные), связь, радиопередача, автоматизация процессов, измерительные комплексы, военные применения. Но преобразователи серии HFE позволят питать системы, более требовательные к эффективности, удельной мощности, гибкости и управляемости, что очень актуально в современной промышленности и сфере телекоммуникаций.