Источники электропитания нового поколения Nemic-Lambda: сочетание высокой мощности и эффективности

Рост пропускной способности оборудования телекоммуникаций, передачи данных, беспроводной связи, серверов, коммутаторов и систем хранения данных увеличивает энергоемкость и сопровождается ростом требований к качеству и надежности питающей энергии. Это приводит к ужесточению и расширению перечня требований к средствам силовой электроники, входящим в состав электронной аппаратуры, и вынуждает разработчиков непрерывно совершенствовать схемотехнику высокочастотных преобразователей напряжения, использовать новейшие методы и инструментарии расчета, моделирования и оптимизации силовой электроники, применять современную элементную базу (полупроводниковые приборы, магнитные и диэлектрические материалы).

Из всего многообразия схемотехнических решений транзисторных преобразователей напряжения специалистами Nemic-Lambda была выбрана структура на основе двух однотактных прямоходовых преобразователей напряжения с поочередным включением (interleaved forward converter). Эта структура позволяет применять проверенную и хорошо исследованную топологию и обеспечивает те же преимущества, что и двухтактная структура. Впервые структура на основе двух однотактных прямоходовых преобразователей напряжения с поочередным включением была предложена в 1976 году и в настоящее время остается все еще популярной, претерпев модернизацию [2].

В прямоходовом сдвоенном преобразователе напряжения с поочередным включением два прямоходовых преобразователя работают со сдвигом по фазе 180° (рис.1). Основным преимуществом этой структуры по сравнению со стандартным прямоходовым преобразователем напряжения являются пониженные пульсации тока входных и выходных конденсаторов. Графики на рис. 2 показывают токи пульсаций входного фильтрующего конденсатора (C_IN) при коэффициенте заполнения импульсов 50%.

Рис. 1. Прямоходовой сдвоенный преобразователь напряжения с поочередным включением содержит два прямоходовых преобразователя напряжения, работающих со сдвигом по фазе 180°

Рис. 2. Снижение действующих значений токов через входные и выходные фильтрующие конденсаторы приводит к значительному снижению емкости конденсаторов

Входной конденсатор C_IN должен отфильтровывать переменную составляющую входного тока. Ток входного конденсатора (I_CIN) является постоянной составляющей входного тока I_IN, который меньше токов, протекающих через силовые трансформаторы (I_T1+I_T2). Как только коэффициент заполнения импульсов достигнет 50%, сумма токов нагрузки трансформатора достигнет постоянной составляющей входного тока. Входной конденсатор должен только фильтровать отраженный ток выходного дросселя и ток намагничивания трансформатора.

Выходной конденсатор C_OUT должен фильтровать переменную составляющую токов дросселей. Выходной ток (I_OUT) в преобразователе напряжения с поочередной работой двух прямоходовых каскадов равен сумме токов дросселей (I₁+I₂) минус ток, протекающий через конденсатор выходного фильтра (I_COUT). При коэффициенте заполнения импульсов, равном 50%, токи дросселей сдвинуты по фазе на 180° и являются симметричными. Сумма этих двух токов является постоянной составляющей тока, и конденсатор фильтра в идеале не будет фильтровать какие-либо токи дросселя.

Токи пульсаций входных и выходных конденсаторов изменяются с изменением коэффициента заполнения импульсов. При отклонении коэффициента заполнения от 50% входной ток становится более прерывистым из-за изменения нагрузки трансформатора. Токи выходных дросселей (L₁ и L₂) также становятся менее симметричными, по мере того как коэффициент заполнения импульсов отклоняется от 50%, и токи пульсаций дросселей не компенсируются. При разработке преобразователя напряжения с поочередным включением каскадов разработчик должен хорошо представлять режимы этих токов для выбора входных и выходных фильтрующих конденсаторов. Поочередное включение преобразователей напряжения значительно уменьшает требуемую емкость входного конденсатора (в модуле питания FPS1000-24 на входе установлено два параллельно включенных конденсатора фирмы NIPPON CHEMI-COM 330 мкФ, 420 В).

На протяжении многих лет КПД источников питания практически не изменялся. Единственным параметром вторичного источника питания, который непрерывно прогрессирует, является удельная мощность. Необходимо заметить, что многие фирмы непрерывно увеличивают удельную мощность модулей, но никак не могут изменить удельную мощность модулей питания. Удельная мощность модулей достигает 5000 Вт/дм3, а характеристики модулей питания тех же фирм многие годы остаются на уровне 300-400 Вт/дм3. Объясняется это тем, что уменьшение объемов модулей достигается путем совершенствования элементной базы и технологии производства, а уменьшение объемов модулей питания ограничено условиями теплообмена, которые изменить невозможно. Реальный объем вторичного источника питания в конечном счете всегда определяется условиями теплообмена [3]. Вторичный источник питания серии FPS1000 характеризуются высокой удельной мощностью 671 Вт/дм3 и прекрасными массогабаритными показателями (табл.). Для обеспечения нормального теплового режима мощные транзисторы MOSFET и диоды установлены на теплоотводы, в качестве которых используются стенки П-образ-ного корпуса. Два встроенных вентилятора обеспечивают принудительный обдув компонентов конструкции. Вентилятор — это механический компонент, что не является идеальным решением с точки зрения надежности. В модулях питания серии FPS1000 применяются коллекторные 2-выводные вентиляторы постоянного тока San Ace 40 (109P0412B301) японской фирмы Sanyo Denki. Эти модели характеризуются высоким сроком службы. На рис. 3 показана зависимость ожидаемого ресурса вентилятора модели 109З0412B301 от температуры среды. При температуре среды +40 °C значение ресурса равно примерно 80 000 часов. Управление скоростью вращения вентилятора увеличивает его надежность, а также способствует снижению энергопотребления и акустических шумов. Для изменения скорости вращения вентилятора в зависимости от тока нагрузки в модулях питания FPS1000 применяется линейное управление: напряжение, поданное на вентилятор, изменяется в пределах от 9 до 12 В. Принципиальное преимущество линейного управления по сравнению с другими методами — это отсутствие помех при таком методе [4].

Рис. 3. Зависимость ресурса вентилятора модели 10930412В301 от температуры среды

Внешний вид модуля питания FPS1000-24 показан на рис. 4. Модули питания выпускаются с расположением входа питающей сети на передней или задней панели. На передней панели установлены светодиодные индикаторы:

• AC OK — светодиодный индикатор зеленого цвета: светится при напряжении входной сети > 85 В, выключен в случае, когда входное напряжение < 85 В;
• DC OK — светодиодный индикатор зеленого цвета: светится в случае, когда выходное напряжение больше 80% ±5% от номинального значения, выключается в случае, когда выходное напряжение меньше этого значения;
• DC FAIL — светодиодный индикатор красного цвета: светится в случае, когда выходное напряжение ниже 80% < 5%, выключается в случае, когда выходное напряжение больше этого значения.
  
  

  Рис. 4. Внешний вид низкопрофильного(1U) модуля питания FPS1000-24 (защитная крышка снята)

Факторами, определяющими надежность вторичного источника питания, являются: надежность элементной базы, правильный выбор электрических режимов компонентов, щадящие температурные режимы компонентов, хорошие условия производства и уровень техпроцесса, использование унифицированных конструкций. Применение высококачественных комплектующих известных производителей обеспечивает высокие показатели надежности модулей питания серии FPS1000: применяются изделия известных японских фирм NEC, Toshiba, Omron, причем в группе компаний Lambda существует жесткая система согласования замены компонентов.

Значение среднего времени безотказной работы (Mean Time Between Failure — MTBF) для модуля питания FPS1000-48, рассчитанное по методу JEITA (RCR-9102), основанному на стандарте MIL-HDBK-217F Military Handbook Reliability Prediction of Electronic Equipment, составляет 79 395 часов; для FPS1000-48/S — 76 223 часа. Среднее время безотказной работы модулей питания серии FPS1000, вычисленное по стандарту расчета надежности BELLCORE, имеет следующие значения:

• FPS1000-48 — 437 304 часа;
• FPS1000-48/S — 402 718 часов. Зависимость значения MTBF от температуры для модуля питания FPS1000-48 показана на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость среднего времени безотказной работы от температуры для модуля питания FPS1000-48

Для повышения надежности системы вторичного электропитания модуля питания FPS1000 можно включать параллельно (до 8 модулей питания), при этом возможна замена под напряжением благодаря встроенным блокирующим диодам. На рис. 6 показана схема параллельного включения модуля питания FPS1000 с использованием функции равномерного распределения тока нагрузки (сurrent share) и выносной обратной связи (remote sensing).

Рис. 6. Параллельное включение нескольких модулей питания FPS1000. Для обеспечения равномерного распределения тока нагрузки между модулями питания выводы CS должны быть соединены между собой. Провода выносной обратной связи должны быть выполнены в виде скрученной пары. Если выносная обратная связь не используется, выводы ± Sense должны быть соединены с выводами ±V модуля питания FPS1000

Для монтажа трех модулей питания поставляются 19-дюймовые каркасы (рис. 7) высотой 1U (43,6 мм), обеспечивающие внутреннее запараллеливание выходов и параллельное подключение конструктивов с 8 установленными модулями питания. Применение каркаса FPSS1U обеспечивает выходную мощность 3 кВт (2 кВт + 1 кВт «горячего» резерва).

Рис. 7. Внешний вид 19-дюймового каркаса FPSS1U с установленным модулем питания FPS1000-48. Отсутствие вентиляционных отверстий в крышке и дне конструкции дополнительно обеспечивает надежное санкционирование модулей в промышленных условиях эксплуатации

Схема дистанционного управления несколькими модулями питания представлена на рис. 8. Для лучшей точности и симметрии токов выходное напряжение каждого модуля питания должно быть установлено отдельно посредством подключения внешнего потенциометра, но выходное напряжение параллельно включенных модулей питания может регулироваться одним потенциометром, как показано на рис. 8.

Рис. 8. Регулировка выходного напряжения нескольких параллельно включенных модулей питания FPS1ООО подключением внешнего потенциометра

Для увеличения выходного напряжения два модуля питания могут соединяться последовательно, при этом рекомендуется устанавливать параллельно выходным каналам каждого модуля диоды для защиты от обратного напряжения (рис. 9). Номинальные параметры каждого диода должны выбираться, по меньшей мере, в соответствии с выходным напряжением и током нагрузки. Необходимо отметить, что модули питания, оснащенные интерфейсом I2C, не могут соединяться последовательно.

Рис. 9. Посkедовательное соединение двух модулей питания FPS1000 (* диоды устанавливаются пользователем)

I²C — стандартный недорогой интерфейс последовательного типа, разработанный в начале 80-х годов фирмой Philips, включает в себя средства контролирования параметров модулей питания [5]. Параметры, если требуется, далее передаются в управляющий компьютер через стандартную шину I²C. Контролируются следующие параметры отдельных модулей питания, подключенных через шину I²C:

• статус модуля питания: неисправность входа, выхода, вентилятора, предупреждение о перегреве;
• фактические значения выходного напряжения c точностью ±2% и разрешением 8 бит; выходного тока с точностью ±10% и разрешением 8 бит; температуры внутри модуля питания;
• информация изготовителя: дата выпуска, порядковый номер, номер модели.

Три линии адреса (A0, A1, A2) позволяют назначить адреса 8 модулям питания FPS1000. Адресные линии внутри нагружены резисторами к шине +5 В. Адресация модулей питания осуществляется аппаратным соединением линии адреса к выводу «- Sense» (установка ее в нулевое состояние) или оставлением линии адреса разомкнутой (установка ее в «1»).

Эта линия синхронизируется процессором, который управляет шиной I²C. Она должна быть подключенной к шине +5 В через нагрузочный резистор с номиналом 2 кОм. Интерфейс I²C синхронизируется последовательностью тактовых импульсов с частотой 100 кГц. Линия данных является двунаправленной и подключается к шине +5 В через нагрузочный резистор 2 кОм. Более подробно с работой и функциями интерфейса I²C в модулях питания FPS1000 можно ознакомиться в руководстве по применению [6]. Основные технические характеристики модулей питания FPS1000-24 и FPS1000-48 приведены в таблице.

В заключение необходимо подчеркнуть, что модули питания серии FPS1000, выполненные с применением современных схемотехнических решений и элементной базы, характеризуются высокими массогабаритными показателями, надежностью и высокой удельной мощностью, помогут сэкономить пространство при монтаже в стойки аппаратуры связи и передачи данных. Широкий набор сервисных функций обеспечивает ряд требований при функционировании модулей питания в составе комплексов аппаратуры. Возможность заказа модули питания с интерфейсом I²C обеспечивает контроль основных параметров модулей питания устройствами управления в пределах стойки и оперативную замену модулей в процессе работы при обнаружении неисправностей.