Низковольтные DС/DC-преобразователи типа POL для бортовой авиационной и ракетно-космической аппаратуры

Высокая интеллектуализация борта современных космических аппаратов и авиационной техники способствует росту электропотребления. Авиационное электронное оборудование гражданских самолетов, военная и космическая электронная аппаратура нуждаются в повышенных эксплуатационных характеристиках наряду с уменьшением массо-габаритных показателей и стоимости. Источник питания (ИП) является ключевым определяющим фактором в законченной системе «вес–габариты–тепловой режим».

Одним из способов уменьшения объема системы питания является переход к распределенной архитектуре. Вместо применения нескольких ИП с гальванической развязкой для питания нагрузки современная система распределенного электропитания включает один преобразователь с гальванической развязкой между входными и выходными цепями и множество меньших преобразователей, установленных рядом с нагрузкой (point-of-load, POL). DC/DC-преобразователи типа POL имеют меньшие массо-габаритные показатели при повышенном КПД и лучших технических характеристиках, по сравнению с преобразователями с гальванической развязкой. Применение преобразователей POL позволяет минимизировать длину проводников, подводящих питание к нагрузке, падение напряжения на них и ограничить распространение радиопомех, а также обеспечивает стабильность тока при импульсном потреблении.

Раньше было сложно найти источники питания для высоконадежных применений, сертифицированные в соответствии с техническими условиями MIL-PRF-38534 и стандартом MIL-STD-883, которые также соответствовали бы требованиям стандарта MIL-STD-704 для низковольтных электрических систем с высоким КПД, небольшим весом и удовлетворяли бы современным жестким требованиям к техническим параметрам системы питания. Архитектура распределенной системы электропитания с использованием модулей POL-преобразователей давно нашла применение в телекоммуникационных системах, системах передачи данных, промышленном оборудовании [1–3]. Но во многих бортовых системах использовались многочисленные ИП с гальванической развязкой или применялся один ИП с гальванической развязкой и установленными после него линейными стабилизаторами напряжения. В результате применения каждого из этих способов система электропитания получалась с небольшим КПД, громоздкой и дорогостоящей. В наше время компании, производящие источники питания для ответственных применений, предлагают лучшие решения, в которых имеется один каскад с гальванической развязкой с последующими за ним несколькими DC/DC-преобразователями типа POL (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема распределённой системы электропитания космического аппарата

Известный производитель DC/DC-преобразователей и помехоподавляющих фильтров для применения в аппаратуре авиационной и ракетно-космической техники, компания Crane Electronics, предлагает высокоэффективный DC/DC-преобразователь MFP0507S, который является первым в серии MFP (Maximum Flexibility Power — мощность с максимальной гибкостью) POL-преобразователей. Благодаря обширному набору свойств он обеспечивает максимальную гибкость и разработан для формирования стабильного напряжения в широком диапазоне температур –70…+150 °С. На рис. 2 показан внешний вид модуля MFP0507S в исполнении с горизонтальным расположением выводов для объемного монтажа. Для обеспечения стабильного напряжения с низким уровнем пульсаций DC/DC-преобразователи серии MFP не требуют применения каких-либо внешних компонентов. Они являются высоконадежными, высокоэффективными устройствами для применения с шинами напряжения 3,3 и 5 В.

Рис. 2. Внешний вид модуля DC/DC – преобразователя MFP0507S в исполнении с горизонтальным расположением выводов для объёмного монтажа. Габаритные размеры 30,48×30,48×8,79 мм

MFP0507S обеспечивает на выходе ряд предустановленных напряжений: 0,64; 0,8; 1,6; 2,5 и 3,3 В. Диапазон входных напряжений составляет 3–6 В с отключением модуля при пониженном входном напряжении 2,75 В и при превышении 6 В. При этом преобразователь способен выдерживать импульсы напряжения 15 В в течение 1 с.

Преобразователи серии MFP выполнены по топологии понижающего (buck) прямоходового преобразователя с синхронным выпрямлением. Применение синхронного выпрямителя позволяет существенно повысить КПД [4]. Важными свойствами являются использование во входном каскаде полупроводникового ключа, ограничение пускового тока, синхронизация от системного тактового генератора и возможность распределения выходного тока, что позволяет нескольким включенным параллельно устройствам питать общую нагрузку.

Модуль MFP оснащен схемой питания, которая активна при входных напряжениях ниже 2 В и обеспечивает повышенное стабилизированное напряжение питания для внутренних схем. Этот внутренний источник питания позволяет обеспечить полную мощность в нагрузке с высоким КПД при входных напряжениях, приближающихся к 3 В, без применения внешнего ИП или внешнего напряжения смещения.

DC/DC-преобразователи серии MFP созданы для применения с сильноточными нагрузками с динамическим изменением тока, что является типичным для цифровых нагрузок. В новаторской конструкции преобразователя серии MFP применяются некоторые запатентованные решения компании Crane Electronics: интегрированные планарные магнитопроводы и соединители, оригинальное решение по размагничиванию магнитопровода силового трансформатора. Далее представлены некоторые сервисные функции и особенности применения преобразователей серии MFP.

Монтаж и тепловой режим

Модули серии MFP разработаны для установки в непосредственной близости от нагрузки, которая, во многих случаях, может быть размещена на печатной плате. Высокое значение КПД (до 92%) уменьшает проблемы, связанные обычно c рассеиваемой в модуле тепловой мощностью. Необходимо заметить, что значение КПД не меняется при увеличении тока нагрузки (рис. 3). Максимальная тепловая мощность рассеивается в случае, когда модуль сконфигурирован для работы при выходном напряжении 3,3 В на полную нагрузку. При этих условиях рассеиваемая в модуле мощность не будет превышать 1,83 Вт. Это тепло почти равномерно распределяется по основанию корпуса площадью 929 мм². Потери при полной мощности нагрузки практически не зависят от выходного напряжения, например, при выходном напряжении 0,8 В и полной нагрузке максимальная рассеиваемая в модуле мощность опять же составляет 1,83 Вт.

Рис. 3. Зависимость КПД от тока нагрузки для различных значений входных и выходных напряжений

Чтобы определить требования к охлаждению и отводу тепла в конкретном применении, необходимо вычислить максимальную рассеиваемую в модуле тепловую мощность с учетом коэффициента полезного действия (КПД) и выходной мощности. Для определения КПД при фиксированном входном напряжении, выбранном выходном напряжении и нагрузке могут быть использованы графики и табличные значения, приведенные в спецификации модуля [5]. Рассеиваемая в модуле тепловая мощность P_diss — разность между входной мощностью и выходной — может быть определена по формуле:

где P_out — выходная мощность; ε — КПД.

где ϑ — тепловое сопротивление модуля прикрепленного к плате (°С/Вт); ΔT — установившаяся температура перегрева модуля; T_case — температура корпуса.

Многие применения не потребуют особых усилий по охлаждению, однако это зависит от окружающей температуры, расположенных рядом компонентов и других факторов. В том случае, когда для безопасной работы модуля требуется охлаждение, может быть использован конвекционный или кондуктивный отвод тепла.

Необходимо, чтобы температура основания корпуса модуля MFP была установлена на безопасном уровне, меньшем, чем максимальное значение температуры. Все внутренние компоненты модуля соединены с металлическим основанием корпуса. Основание — это поверхность, которая является важной в том случае, когда используется кондуктивный теплоотвод. Обычно модуль крепится к печатной плате или монтажной поверхности с использованием теплопроводящей прокладки или специальной смазки. Подобные прокладки обеспечивают, в некоторой степени, кондуктивный теплоотвод через монтажную поверхность, зависящий от величины потерь на границе раздела. В том случае, когда применяется модуль с горизонтальным расположением выводов для объемного монтажа, теплопроводящая прокладка плотно прижимает устройство к поверхности, так что соединения через выводы служат только для электрических целей и не осуществляют дополнительную механическую фиксацию модуля к плате.

На тепловизионной фотографии (рис. 4) показано, что температура внутри корпуса превышает температуру окружающей среды всего лишь на 6 °С. Это низкое значение перегрева предоставляет разработчикам больше гибкости в вариантах конструкции платы для соответствия рекомендациям по снижению номинальных значений мощности.

Рис. 4. Инфракрасное изображение модуля MFP при полной нагрузке при входном напряжении 6 В и выходном напряжении 3,3 В

Назначение выводов

На рис. 5 показана схема включения нескольких DC/DC-преобразователей MFP, работающих на разные нагрузки с использованием сервисных сигналов и выводов: ENABLE (внешний сигнал активирования модуля), TRIM (вывод подключения внешнего резистора для регулировки выходного напряжения), SENSE (линия внешней обратной связи) и контроль выходного тока (I _OUT Monitoring).

Рис. 5. Типичная схема соединений модулей MFP c использованием выводов ENABLE, TRIM, SENSE и I OUT Monitoring:
1, 2 — выводы 7 и 8 (раздел «Выводы TRIM A и TRIM B: установка выходного напряжения);
3 — вывод 5 (описание назначения вывода SENSE);
4 — вывод 1 (раздел «Функция дистанционного включения/выключения»; «Установление последовательности включения», таблица 1; «Значения емкости на входе ENABLE для задержки запуска», список значений CT);
5 — вывод 6 (раздел «Функция распределения тока нагрузки»)

Функция дистанционного включения/выключения

Вывод ENABLE предназначен обеспечения дистанционного включения/выключения. В том случае, когда он открыт или отсоединен, осуществляется нормальное преобразование напряжения. Подключение этого вывода к «земле» блокирует преобразование напряжения, что приводит к отсутствию выходного напряжения и значительному снижению потребления тока. Функция ENABLE будет работать с устройством с открытым коллектором, подключенным к выводу, или с высоким логическим уровнем напряжения от цифрового устройства до тех пор, пока высокий логический уровень напряжения будет выше, чем минимальное напряжение, указанное в спецификации для разрешенного функционирования. Вывод ENABLE является активным при высоком уровне (>0,8 В) или при отключенном входе.

Установка последовательности включения

Запуск модуля может быть задержан при подключении к выводу ENABLE внешнего конденсатора. Это свойство является полезным при последовательном включении нескольких преобразователей POL в системе, требующей определенной последовательности включения при различных низковольтных нагрузках. Задержка включения составляет приблизительно 1 мс на 1 мкФ емкости. Более точное значение внешней емкости может быть найдено в таблице 1, где можно видеть, что существует изменение времени задержки включения при изменении входного напряжения.

Указанная в таблице задержка — это время от начала приложения входного напряжения до момента начала внутреннего преобразования напряжения. Существует дополнительная задержка, пока преобразователь начинает нормальный цикл запуска, и быстрое линейное нарастание до конечного выходного напряжения.

Модуль MFP оснащен функцией внешней синхронизации (рис. 6) частоты преобразования, которая является важнейшим свойством для конструкций с низким уровнем шумов. Внутренний генератор преобразования может быть синхронизирован с частотой системного тактового генератора или источником напряжения шины. Модуль MFP разработан для синхронизации с частотой 300 кГц, но может быть синхронизирован генераторами с частотой преобразования до 400 кГц — диапазоном частот, используемым во многих DC/DC-преобразователях. В синхронизированной системе предотвращается генерирование низкочастотных гармоник в звуковом диапазоне частот. Допускается отклонение амплитуды входного сигнала на входе синхронизации в диапазоне 3–6 В. Частота преобразования зависит от температуры и входного напряжения.

Рис. 6. Эквивалентная схема для сигналов дистанционного включения/выключения (ENABLE) и внешней синхронизации (SYNC)

Время синхронизации внешнего сигнала может быть различным от периода к периоду для систем, использующих тактирование с широким спектром, или для чередования синхронизирующих импульсов ведомых распределенных устройств. Уровень постоянного напряжения на выводе SYNC может быть использован для определения состояния ключа защиты входных цепей для входного напряжения. Диапазон входного напряжения для нормальных условий работы составляет 3–6 В постоянного тока (рис. 7). Вывод V_IN Common подключается к V_OUT Common и заземлению корпуса.

Рис. 7. Зависимость входного напряжения от максимального выходного напряжения

В конструкции системы питания входные и выходные цепи должны использовать один и тот же «земляной» слой.

Дополнительные функции блокирования входных цепей

Во входном каскаде модуля MFP имеется полупроводниковый ключ (Solid State Switch, SSS). Этот ключ открывается во время аварийных режимов, включая понижение входного напряжения ниже минимального значения и выбросы напряжения выше максимального. Диапазон безопасной работы включает заземление и простирается до 7 В неограниченно и до 15 В при ограниченных по времени импульсах напряжения. Ключ будет замкнут только при соблюдении определенных внутренних условий, включая правильную работу внутреннего источника напряжения и безопасный диапазон входного напряжения.

Полупроводниковый ключ может быть использован для обеспечения дополнительного уровня надежности «нет ни одной точки в аварийном режиме» (no single point failure) и имеет следствием подключение от входных напряжений до нагрузок на выходе. Ключ может быть открыт заземлением вывода ENABLE. Его состояние может быть определено считыванием напряжения на выводе SYNC. Уровень «лог. 0» на этом выводе указывает, что полупроводниковый ключ открыт.

Внутренний источник напряжения, который активен при напряжениях на входе ниже 2 В, обеспечивает повышенное стабилизированное напряжение для внутреннего использования. Наличие этого внутреннего источника является одной из причин способности модуля обеспечивать полную мощность с очень высоким КПД при входных напряжениях ниже 3 В. Не требуется применять дополнительных внешних источников питания или напряжения смещения.

Конденсатор большой емкости, установленный на входе, и входной полупроводниковый ключ, описанный ранее, предназначены для обеспечения взаимосвязанного ограничения пускового тока. Весьма низкое значение шума на входе и ограничитель пускового тока делают MFP уникальным среди преобразователей типа POL.

Модуль MFP оснащен функцией внешней обратной связи. Вывод SENSE предназначен для поддержания необходимого, предварительно установленного напряжения непосредственно на контактах нагрузки подключением внешней связи к выводу +V_OUT источника питания в непосредственной близости от нагрузки. Эта функция позволяет компенсировать до 0,3 В падения напряжения на сопротивлении питающей линии при медленных изменениях тока нагрузки. В том случае, когда вывод SENSE не подключен к выводу положительного напряжения модуля, выходное напряжение повысится суммарно на 0,4 В.

Выходное напряжение может быть увеличено относительно предустановленного значения не более чем на 0,2 В включением резистора между положительным выводом SENSE и выводом выходного напряжения. Величина повышения выходного напряжения уменьшит доступный диапазон регулирования внешней связью на то же самое значение. Сумма увеличенного напряжения и падения напряжения на проводниках должна быть меньше чем 0,2 В. Увеличение напряжения дополнительным резистором может быть использовано для регулировки выходного напряжения V_OUT в диапазоне 3,3–3,5 В. Соединения должны быть сделаны как можно ближе к выводу Common и к резистору R_X (рис. 8).

Рис. 8. Схема использования вывода SENSE для увеличения выходного напряжения VOUT от 3,3 до 3,5 В

При этом способе используется функция компенсации напряжения вывода SENSE для повышения выходного напряжения. Следовательно, не будет возможности компенсации падения напряжения на нагрузке. В том случае, когда нет падения напряжения на сопротивлении питающей линии, значение резистора R_X (Ом) определяется по формуле:

Функция распределения тока нагрузки

Функция распределения выходного тока обеспечивает работу нескольких модулей подобно одному модулю, способному обеспечить полный ток, который является суммой максимальных токов от каждого из модулей, включенных параллельно. При параллельном включении модулей вывод SHARE соединяется между модулями, но выводы ведущего модуля TRIM A и TRIM B подключаются к выводу SENSE. Выводы TRIM ведущего модуля используются для установки желаемого выходного напряжения, в то время как другие, параллельно выключенные модули будут выравнивать ток и напряжение ведущего (рис. 9).

Рис. 9. Типовая схема использования выводов выравнивания выходного тока SHARE и внешней синхронизации SYNC при параллельном включении модулей MFP:
1 — вывод 1 (раздел «Функция дистанционного включения/выключения»);
2 — вывод 4 (описание функции синхронизации);
3 — выводы 7 и 8 (раздел «Функция распределения тока нагрузки»)

Вывод SHARE может быть использован для текущего контроля выходного тока, так как напряжение на нем пропорционально выходному току модуля (рис. 4). Кроме того, он может быть использован для управления модулем MFP в качестве генератора тока, управляемого напряжением, поскольку выходной ток будет пропорциональным приложенному напряжению со смещением. Выходные токи, соответствующие напряжению на выводе SHARE, показаны на рис. 10. Соединения для контролирования выходного тока показаны также на рис. 5.

Рис. 10. Использование вывода SHARE для контролирования тока нагрузки (представлены значения выходных токов, соответствующих напряжениям на выводе SHARE)

Следующие два соединения важны для распределения тока между двумя модулями. Выводы SHARE двух (или более) модулей должны быть соединены вместе, а выводы TRIM A и TRIM B должны быть соединены вместе и закорочены с выводами V_OUT и SENSE каждого из модулей, не являющихся ведущими. Ведущим будет модуль с наивысшим значением предустановленного выходного напряжения. В случае, показанном на рис. 9, ведущий модуль с разомкнутыми выводами TRIM обеспечивает на выходе 0,8 В.

Выводы 7 и 8 (TRIM A и TRIM B) — установка выходного напряжения и регулировка

В одноканальном модуле MFP0507S есть возможность установки на выходе любого напряжения в диапазоне 0,64–3,3 В. Модуль MFP имеет пять выходных предварительно установленных напряжений, которые доступны при подключении к нагрузке соответствующего вывода без регулировочного резистора. Разомкнутая цепь на обоих выводах TRIM обеспечивает выходное напряжение 0,8 В, заземление одного из двух или обоих выводов обеспечивают точные выходные напряжения 1,6; 2,5 или 3,3 В. Еще одно предварительно установленное напряжение возможно при использовании вывода SENSE (вывод 5). Соединение обоих выводов TRIM с положительным выводом SENSE обеспечивает на выходе модуля напряжение 0,64 В. Промежуточные значения выходных напряжений могут быть установлены применением внешних регулировочных резисторов, включенных между выводами TRIM и «землей».

Любое напряжение с промежуточным значением относительно предварительно установленных напряжений доступно при добавлении регулировочного резистора между выводами Common и обоими выводами TRIM. В таблице 2 представлены выходные напряжения, обеспечиваемые соединением выводов и регулировочных резисторов.

Примечания:
¹ Значения резистора R_T (кОм) в таблице при выходных напряжениях V_OUT ниже 3,3 В и выше 0,8 В определяются по формуле R_T = [6,031/(V_OUT–0,804)]–2,4.
² Для установки выходного напряжения в диапазоне 3,3–3,5 В см. раздел, описывающий функцию SENSE, и рис. 6.

Выводы 9 и 10: +V_OUT и V_OUT Common

Топология понижающего преобразователя напряжения требует, чтобы выходное напряжение модуля MFP всегда было ниже входного по меньшей мере на 0,8 В. Точные значения допустимых выходных напряжений и токов как функции входного напряжения V_IN показаны на рис. 11.

Рис. 11. Максимальные значения выходного тока при различных выходных и входных напряжениях

Контроль качества при производстве

Продукция компании Crane Electronics, предназначенная для длительных специфических условий эксплуатации, подвергается эффективным отбраковочным испытаниям при текущем контроле их качества по ряду прямых и косвенных электрических признаков. В таблице 3 приведены установленные действующим в США военным стандартом MIL-STD-883G и техническими условиями MIL-PRF-38534 состав и последовательность испытаний, вводимых с целью выявления потенциально ненадежных изделий. Их отбраковка за счет дополнительных испытаний позволяет повысить надежность продукции на порядок.

Примечания:
¹Производственные линии в Редмонде имеют утвержденный Центром снабжения Министерства обороны США (Defense Supply Center Columbus, DSCC) план гарантирования радиационной стойкости (Radiation Hardness Assurance, RHA). Изделия с SMD с уровнями радиационной стойкости «P», «R» соответствуют требованиям DSCC.
² /ST (стандартное) и /WT (расширенная температура) являются изделиями, не внесенными в перечень сертифицированных, и могут не соответствовать всем требованиям технических условий MIL-PRF-38534.
³ Все процедуры сертифицированы и выполняются сертифицированными операторами.
⁴ Не требуется DSCC, но выполняется для гарантирования качества изделия. При PIND-контроле наличия в корпусе посторонних частиц изделие подвергается вибрации с частотой 40–250 Гц, а акустический датчик регистрирует шум, возникающий при соударении частиц.
⁵ Температура корпуса повышается до +125 °С (минимум).
⁶ Осуществляется при небольшой мощности дозы облучения до номинальной суммарной дозы.
⁷ Нет изменений на выводах модуля.

В настоящее время поставляются модули DC/DC-преобразователей серии MFP в исполнении Class H (для применения в вооружении и военной технике). Для эффективной отбраковки потенциально дефектных изделий они подвергаются при производстве испытаниям, приведенным в таблице 3. В конце 2011 г. планируется начать поставки радиационно-стойких модулей серии MFP Class K (для применения в аппаратуре ракетно-космической техники), со специфицированными значениями суммарной дозы ионизирующего излучения 30 крад, 100 крад (Si) и гарантированным отсутствием одиночных эффектов при воздействии протонов и ионов естественных радиационных поясов Земли, солнечных и галактических космических лучей при значениях пороговых линейных потерь энергии (ЛПЭ) ионов в веществе до 85 МэВ·см²/мг.