Источники питания с высоким коэффициентом полезного действия от TRACOPOWER

№ 3’2008
PDF версия
Обычно маломощные источники питания строятся по схеме обратноходового преобразователя. Однако эта схема недостаточно эффективна из-за довольно больших потерь мощности на тепловое рассеяние. В результате компоненты преобразователя достаточно сильно нагреваются, что приводит к снижению значения средней наработки на отказ. В источниках питания серии TOP-100 используется схема полумостового преобразователя, не имеющая подобных проблем. Благодаря этой инновационной схеме источники питания серии ТОР-100 гораздо меньше греются и позволяют достичь более высокой энергетической плотности.

Вернер Вольфл

Сергей Премяков

Современные источники вторичного электропитания очень компактны, но во время работы рассеивают значительное количество энергии в результате нагрева. Это очень часто приводит
к перегреву компонентов, что, в свою очередь, негативно влияет на надежность и время наработки на отказ. Обычно компоненты нагреваются настолько
сильно, что инженеру-разработчику не остается другого выбора, как использовать принудительное
охлаждение. К технически неудовлетворительным
решениям относится довольно низкая надежность
вентиляторов, а также шум, производимый ими.

Рис. 1. Серия TOP-100 от TRACOPOWER.
Источник питания в корпусе 2″×4″×1,2″ мощностью
100 Вт с естественным конвекционным охлаждением

Источники электропитания серии TOP-100 стандартного 2″×4″ размера от TRACOPOWER (рис. 1),
имеют номинальную выходную мощность 100 Вт с коэффициентом полезного действия более 90% при
самых жестких условиях эксплуатации. Высокий уровень коэффициента полезного действия достигается за счет низких потерь мощности на тепловое рассеяние, что означает более низкую рабочую температуру используемых компонентов, как следствие —
значительно улучшается надежность источника.
В связи с этим данные источники могут использоваться при более высоких рабочих температурах, без
уменьшения значения выходной мощности и использования дополнительных систем принудительного
охлаждения.

Основные свойства преобразователя

Наиболее часто используемая схема для источника
питания — обратноходовой преобразователь. Данная
схема наиболее дешевая, так как состоит из очень небольшого количества компонентов, хотя имеет и ряд
существенных недостатков. Основным недостатком
является высокий уровень импульсных и действующих токов в полупроводниках, трансформаторе и конденсаторах. Высокий уровень токов приводит к сильному нагреву всех компонентов схемы, включая
токопроводящие проводники печатной платы,
что, в свою очередь, заметно уменьшает эффективность преобразователя и увеличивает процент отказа. Эти отказы практически не проявляются во время
испытаний, и характеристики источников находятся
в пределах заявленных значений, однако их количество увеличивается через некоторое время при использовании источников уже в составе оборудования.

Сравнение инфракрасных изображений

Сравненим инфракрасные изображения обычного
обратноходового преобразователя мощностью 60 Вт
от одного из ведущих производителей и преобразователя TOP-100 от TRACOPOWER (рис. 2 и рис. 3 соответственно).

Рис. 2. ИК-изображение со стороны
элементов (оба образца 5 В/12 A):
a) обратноходовой источник питания
мощностью 60 Вт; б) источник питания
TOP-100

Рис. 3. ИК-изображение с обратной стороны
печатной платы (оба образца 5 В/12 А):
а) обратноходовой источник питания
мощностью 60 Вт; б) источник питания
TOP-100

Обе представленные модели имеют одинаковые
размеры 2×4×1,2 дюйма. Распределение температуры на плате очень хорошо заметно на изображениях, снятых тепловой камерой, и графике зависимости цвета от температуры.

На рис. 2а видно, что бóльшая часть платы со стороны компонентов имеет очень высокую температуру. В особенности полупроводниковые компоненты, установленные на радиаторах на входе и на выходе источника, имеют белый цвет на изображении,
что указывает на то, что компоненты уже достигли температуры в 100 °С при комнатной
температуре окружающей среды. Легко представить, что произойдет, если такой источник
будет использоваться в ограниченном пространстве или в аппаратуре с недостаточной
вентиляцией. Компоненты неизбежно перегреются.

На рис. 3а зона с чрезвычайно высокой температурой также видна в области трансформатора. Эта область печатной платы нагрета
расположенными рядом транзисторами и печатными проводниками платы почти до +100
°С при комнатной температуре окружающей
среды. В области диодов температура печатной платы также очень высока.

И со стороны элементов, и со стороны печатной платы температура 60-ваттного обратноходового преобразователя значительно более высокая, чем температура преобразователя TOP-100 при одинаковой нагрузке. Источник
питания TRACOPOWER не только значительно менее нагрет при выходной мощности в 60 Вт,
но и может выдать 100 Вт выходной мощности в тех же самых габаритных размерах (2″×4″)
без значительного нагрева компонентов. Таких
результатов удалось достичь благодаря построению источника серии TOP-100 по схеме полумостового преобразователя.

Рассчитанная средняя наработка на отказ, согласно стандарту IEC 61709, принимая во внимание значения напряжения, тока и температуры, для обратноходового преобразователя составляет приблизительно 200 000 часов. Исходя
из сравнения, источник электропитания, построенный по полумостовой схеме с теми же
самыми габаритными размерами и с теми же самыми условиями нагрузки, достигает в десятки раз лучшего значения средней наработки
на отказ.

Лучшая идея —
более высокая эффективность —
меньшие потери мощности

Источник электропитания TOP-100 основан на схеме резонансно-импульсного полумоста, схема достигает значительно больших
углов отсечки тока и, соответственно, значительно более низких потерь на сопротивление
трансформатора, индуктивностей и полупроводников. Дальнейшее усовершенствование
достигается заменой выходных диодов полевыми транзисторами с очень низким сопротивлением канала (схема синхронного выпрямителя). В то время как обратноходовой преобразователь с выходным напряжением 5 В при
холостом ходе достигает значения коэффициента полезного действия 76–84%, источники серии TOP-100 достигают значения КПД 92% при
более высокой выходной нагрузке. Рассеяние
мощности и выработанное тепло в преобразователях серии ТОР-100 примерно на 50% меньше, чем в похожих моделях других производителей. Расчетное значение средней наработки
на отказ для этих источников в 5–10 раз лучше, чем у обратноходовых преобразователей
при одинаковых выходных нагрузках. В полумостовом преобразователе используется большее количество компонентов по сравнению
с обратноходовым, что делает его несколько более дорогим, однако несомненные преимущества данной схемы перекрывают дополнительные затраты.

Источники электропитания
серии TOP-100

Эти 100-Вт бескорпусные источники электропитания размера 2″×4″ имеют самую высокую энергетическую плотность и самое низкое
рассеяние мощности. Они имеют диапазон
входных напряжений от 90 до 264 В AC с классом безопасности I (защитное заземление)
и классом II (изоляция). Источники доступны
со стандартными выходными напряжениями
3,3; 5; 12; 24 и 48 В. Источники электропитания
отвечают требованиям всех необходимых стандартов по безопасности, электромагнитной совместимости и подавлению помех, содержат
корректор коэффициента мощности.

При использовании преобразователей данной серии не требуется установка дополнительных фильтров и плавких предохранителей.
Встроенная тепловая защита и компоненты,
предназначенные для использования в технике индустриального назначения, позволяют
достичь очень высокого уровня надежности.
Серия ТОР-100 — это экономичное решение
для применений с ограниченными габаритными размерами, высокими рабочими температурами и жесткими требованиями по надежности.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *