Новые DC/DC-конвертеры семейства Cool-Power

Введение

В одной из наших предыдущих статей [1] цикла, посвященного продукции корпорации Vicor, мы уже рассказывали о DC/DCконвертерах семейства Cool-Power (рис. 1), разработанных компанией Picor — fabless-подразделением корпорации Vicor, которое специализируется на проектировании полупроводниковых компонентов и интегральных микросхем для источников питания электронной аппаратуры. До недавнего времени в состав семейства Cool-Power входили только три DC/DC-конвертера, а именно: PI3101-00-HVIZ, PI3106-01-HVIZ и PI3106-00-HVMZ.

Рис. 1. DC/DC-конвертеры семейства Cool-Power

В этой статье речь пойдет о новейших DC/DC-конвертерах семейства Cool-Power, анонс которых состоялся на выставке “Power Conversion Intelligent Motion”, проходившей в Нюрнберге в мае 2013 года.

Oбщая характеристика DC/DC-конвертеров семейства Cool-Power

DC/DC-конвертеры семейства Cool-Power (PI31xx) — это малогабаритные импульсные преобразователи напряжения постоянного тока с максимальной выходной мощностью от 50 до 60 Вт, гальваническим разделением входных и выходных электрических цепей, стабилизированным выходным напряжением и высоким коэффициентом полезного действия (КПД).

В состав семейства входят восемь модулей (табл. 1), которые отличаются друг от друга электрическими параметрами и допустимыми условиями эксплуатации.

Модули PI3101-00, PI3105-00 и PI3110-01 разработаны специально для телекоммуникационной отрасли, в которой широко используются распределенные системы питания с номинальным напряжением промежуточной шины 48 В. Модули PI3101-00 и PI3105-00, максимальное рабочее входное напряжение которых равно 75 В, способны выдерживать импульсную помеху до 100 В при длительности импульса до 100 мс, что также обусловлено требованиями, которые предъявляются к источникам питания аппаратуры связи.

Целевой областью применения модулей PI3109-01 и PI3106-01 является промышленная автоматика, где распространены системы питания с промежуточным напряжением 24 В.

Модули PI3109-00, PI3106-00 и PI3111-00 созданы для построения систем питания с промежуточным напряжением 28 В, а также для питания электронной аппаратуры, способной работать при температуре –55 °C.

Изоляционный барьер между входами и выходами всех модулей семейства PI31xx выдерживает напряжение 2250 В.

Максимальное значение КПД конвертеров PI31xx достигает 89% при полной нагрузке, а при снижении тока нагрузки КПД монотонно уменьшается (рис. 2). В области значений тока приблизительно от 0,5I_max, до I_max, где I_max — максимальный ток нагрузки, производная КПД по току мала, и КПД сохраняет высокое значение, близкое к максимальному.

Рис. 2. Графики зависимости КПД модуля PI3106-01-HVIZ от тока нагрузки для трех значений входного напряжения

Мощность, потребляемая модулями PI31xx в режиме холостого хода, для разных представителей семейства лежит в пределах от 2,8 до 4,1 Вт, поэтому при малых токах нагрузки преобразование становится очень неэффективным. В тех приложениях, где нагрузка DC/DC-конвертера в течение какого-либо периода времени может отсутствовать, мы рекомендуем переводить конвертер в режим Shutdown, в котором рассеиваемая модулем мощность снижается до 0,225 Вт.

Модули семейства PI31xx имеют низкопрофильный корпус, предназначенный для поверхностного монтажа на печатную плату (рис. 1). Габаритные размеры корпуса — 22×16,5×6,7 мм. При таких размерах максимальная плотность конвертируемой модулем мощности превышает 24 Вт/см³, что является очень высоким показателем для функционально полных DC/DC-конвертеров с изолированным выходом. Тепловое сопротивление между встроенными полупроводниковыми компонентами модуля и корпусом модуля равно 3 °C/Вт, а между корпусом модуля и окружающей средой — приблизительно 9 °C/Вт (при естественном конвективном охлаждении, отсутствии дополнительного радиатора и монтаже модуля на многослойную печатную плату площадью 20 см²). Простейшие тепловые расчеты показывают, что даже в режиме холостого хода, когда модуль рассеивает мощность около 4 Вт, температура корпуса модуля может превышать температуру окружающей среды приблизительно на 36 °C, а температура внутри модуля — на 48 °C. При полной нагрузке модуля перегрев будет еще больше.

Например, если номинальная мощность модуля равна 50 Вт, а КПД составляет 85%, то при максимальной нагрузке и указанных выше условиях охлаждения температура внутри модуля будет превышать температуру окружающего воздуха на 90 °C. Следовательно, уже при температуре окружающего воздуха выше +35 °C модуль не сможет отдавать в нагрузку номинальную мощность, если не принять дополнительных мер к отводу выделяемого тепла. Приведенный пример показывает, насколько важно учитывать теплофизические характеристики электронных компонентов на самых ранних этапах проектирования источника питания.

Для того чтобы снизить тепловое сопротивление между корпусом модуля и окружающей средой и тем самым повысить максимальную температуру окружающей среды, при которой модуль может отдавать в нагрузку свою номинальную мощность, можно использовать дополнительный радиатор или другие средства для отвода выделяемого тепла, например принудительный обдув. В группе аксессуаров, поставляемых корпорацией Vicor, можно выбрать один из четырех стандартных радиаторов для модулей семейства PI31xx. Стандартные радиаторы Vicor (табл. 2) отличаются друг от друга высотой (6,3 или 11 мм, рис. 3а) и ориентацией ребер по отношению к длинной стороне модуля (продольная или поперечная). Для крепления радиатора используются специальные пружинные фиксаторы (Push Pins, рис. 3б), а для электрического соединения радиатора с печатной платой — вспомогательные штыревые контакты (Grounding Clips), которые, так же как и зажимы Push Pins, входят в список аксессуаров, поставляемых корпорацией Vicor [2].

Рис. 3. Радиаторы для модулей семейства PI31xx (a) и монтажные фиксаторы Push Pins (б)

Эффект от применения дополнительного радиатора и принудительного обдува можно оценить с помощью графиков теплового дерейтинга (Thermal Derating, рис. 4). На рисунке представлены три вида зависимости максимального выходного тока модуля PI3106-01-HVIZ от температуры окружающего воздуха для трех значений входного напряжения (18, 24 и 36 В) и двух значений скорости воздушного потока, охлаждающего модуль: 200 LFM (1 м/с) и 600 LFM (м/с). Аналогичные графики для других модулей семейства PI31xx можно найти в технической документации, размещенной на сайте корпорации Vicor [3].

Рис. 4. Графики зависимости максимального выходного тока модуля PI3106-01-HVIZ от температуры окружающей среды:
а) без радиатора; б) c радиатором высотой 6,3 мм; в) с радиатором высотой 11 мм

Анализируя графики, приведенные на рис. 4, можно сделать много полезных практических выводов. Например, если при естественном конвективном охлаждении модуля без дополнительного радиатора снижение максимальной выходной мощности модуля происходит уже при температуре окружающей среды +40 °C (рис. 4а), то стандартный радиатор высотой 6,3 мм (табл. 2) позволяет, при прочих равных условиях, повысить максимальную температуру эксплуатации модуля почти до +55 °C (рис. 4б). Еще более хороший результат дает сочетание радиатора высотой 11 мм с принудительным охлаждением потоком воздуха. Например, обдувая радиатор воздухом со скоростью потока 1 м/с, температуру окружающей среды, при которой модуль может работать с номинальной нагрузкой, можно довести почти до +80 °C (рис. 4в).

Новые DC/DC-конвертеры семейства PI31xx

Параметры трех новых модулей семейства PI31xx приведены в таблице 3. Спецификации двух новых модулей PI3105-00-HVIZ и PI3110-01-HVIZ, анонсированных в мае 2013 года, пока не опубликованы, хотя все модули семейства PI31xx уже доступны для заказа через официальных дистрибьюторов корпорации Vicor. Более подробную информацию о технических характеристиках всех модулей семейства PI31xx (табл. 1) можно найти на сайте корпорации Vicor [3].

DC/DC-конвертеры семейства PI31xx имеют целый ряд других ценных потребительских качеств, о которых мы уже рассказывали в статье [1], но, в заключение, хотим перечислить их еще раз для тех разработчиков источников питания, которые пока не оценили всех преимуществ модулей PI31xx по сравнению с аналогичными продуктами других производителей:

• Возможность регулировки выходного напряжения (табл. 1) с помощью всего одного дополнительного внешнего резистора.
• Логический вход ENABLE для дистанционного включения/выключения конвертера.
• Режим «мягкий старт» (Soft Start) с регулируемым временем запуска.
• Защита от перенапряжения на выходной шине (Over-Voltage Protection).
• Защита от перегрузки по выходному току (Over-Current Protection) с автоматическим перезапуском модуля после устранения аварийной ситуации.
• Автоматическая блокировка при выходе входного напряжения модуля за границы рабочего интервала, причем как при падении входного напряжения ниже минимального допустимого предела (Under Voltage Lockout), так и при увеличении входного напряжения выше максимального допустимого предела (Over Voltage Lockout).
• Защита от перегрева (Over-Temperature Protection).
• Встроенный аналоговый термометр, позволяющий дистанционно контролировать температуру внутри модуля.

Для того чтобы на базе модуля PI31xx создать законченный источник питания, необходим минимальный набор внешних пассивных компонентов: входные конденсаторы С1–C3 (табл. 3) и выходной конденсатор C_OUT (рис. 5). Еще один внешний конденсатор C_SS, задающий время «мягкого старта», предохранитель F и входной фильтр являются опциональными компонентами.

Рис. 5. Функциональная схема источника питания на базе модуля семейства PI31xx

Заключение

Более близкое знакомство с DC/DC-конвертерами семейства Cool-Power мы рекомендуем начать с тестирования какой-либо из оценочных плат, поставляемых корпорацией Vicor для всех модулей семейства. Такие платы, одна из которых представлена на рис. 6, дают возможность в кратчайшие сроки приобрести опыт проектирования источников питания на базе модулей PI31xx, а также позволяют свести к минимуму вероятность возможных ошибок и сократить суммарные затраты времени на создание нового источника питания. Как показывает наш анализ неудачных проектов, одной из серьезных ошибок разработчиков источников питания часто является недостаточное внимание к теплофизическим свойствам электронных компонентов на этапе выбора элементной базы. Избежать подобных ошибок можно с помощью несложных тепловых расчетов, результаты которых обязательно нуждаются в проверке путем проведения натурных испытаний источника питания в реальных условиях эксплуатации.

Рис. 6. Оценочная плата PI3101-EVAL1

Дополнительную информацию по продукции корпорации Vicor можно получить на специализированном сайте «Источники питания» [4].

Литература

1. Белотуров В., Иванов Д., Кривченко И. DC/DC-конвертеры семейства Cool-Power // Компоненты и технологии. 2012. № 8.
2. http://www.vicorpower.com/cms/home/products/accessories-and-components
3. http://www.vicorpower.com/cms/home/products/picor/Cool_Power_PI3101
4. www.powel.ru