Как разработчику РЭА быстро оценить надежность и функциональные возможности модуля питания

Унифицированные модули питания (МП) получили широкое распространение в цифровой и аналоговой радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) различного назначения. Малые габариты и вес, широкие функциональные возможности позволяют существенно повысить удельные показатели РЭА. Поэтому практически все производители средств электропитания разрабатывают и выпускают МП, в том числе и отечественные предприятия. Далее речь пойдет только о модулях питания российского производства.

Разработчики РЭА подчас теряются, выбирая МП той или иной фирмы. А между тем есть простые способы быстро и просто определить соответствие реальных параметров МП ожиданиям специалистов.

Основной документ, которым должен руководствоваться разработчик при выборе МП, — технические условия (ТУ). Рассмотрим характеристики, на которые разработчик должен обращать внимание в первую очередь, оценивая надежность МП.

Главный показатель надежности МП — способность работать при перегрузках по току и коротких замыканиях (КЗ) на выходе. Перегрузки возникают всякий раз, когда МП включается либо скачкообразно увеличивается его выходной ток. Но они кратко­временны (до нескольких миллисекунд) и в ТУ не фиксируются. А вот продолжительное нахождение МП в режиме КЗ должно обязательно описываться в ТУ. Анализируйте формулировки и цифры, приведенные в ТУ. Они и ответят на вопрос о надежности МП. Так, на МП СПНС27 (изготовитель ЗАО «ГК «Электронинвест») в КЦАЯ.430630.001ТУ на с. 24 приведена таблица входного тока при КЗ на выходе (рис. 1). Из нее видно, что при КЗ на выходе модуль питания, например СПНС27-3, потребляет ток I_{ВХ КЗ} ≤ 0,4 А.

Рис. 1. Выдержка из КЦАЯ.430630.001ТУ (с. 24)

Делаем простой расчет: при номинальной нагрузке Р_ВЫХ = 3 Вт и КПД η = 0,75 потребляемая на входе мощность:

Р_ВХ = Р_ВЫХ / η =4 Вт.

На элементах модуля выделяется максимальная мощность Р_МАКС = Р_ВХ — Р_ВЫХ = 1 Вт. Конструкция МП разрабатывается с учетом, что для надежной работы необходимо отвести эту мощность от элементов при длительной его работе. При КЗ потребляемая мощность:

Р_ВХ = U_{ВХ МАКС} × I_{ВХ КЗ} = 36×0,4 = 14,4 Вт.

Передаваемая же на выход мощность Р_{ВЫХ КЗ} = 0. Стало быть, вся потребляемая мощность выделяется на элементах МП. В 14 раз больше, чем при максимальной нагрузке! Естественно, при такой выделяемой ЭРИ мощности МП «долго не протянет» — быстро перегреется и выйдет из строя. И это даже без учета того, что при таком значении входного тока I_ВХ КЗ импульсные токи через элементы могут вводить в насыщение магнитные компоненты и перегружать силовые ключи, что ускорит неизбежный отказ.

Аналогично дело обстоит и с МП, изготовителем которых является ООО «АЕДОН». В БКЯЮ.436630.001ТУ на МП серии МДМ читаем (рис. 2).

Рис. 2. Выдержка из БКЯЮ.436630.001ТУ (с. 24)

Опять немного посчитаем. Пусть номинальная выходная мощность МП Р_ВЫХ. Тогда при минимальном входном напряжении и номинальной нагрузке максимальное значение входного тока будет I_{ВХ.МАКС}, а потребляемый ток во время КЗ:

I_{ВХ КЗ} = I_{ВХ.МАКС} /1,5 = 0,67×I_{ВХ.МАКС}.

Мощность, выделяемая на элементах МП в этом режиме:

Р_МАКС = I_{ВХ КЗ}×U_ВХ.МИН = 0,67×Р_ВЫХ.

Для такого же МП мощностью 3 Вт мощность, выделяемая на ЭРИ при КЗ, составляет: Р_МАКС = 0,67×3 = 2 Вт.

В два раза больше, чем при работе на номинальной выходной мощности. С увеличением входного напряжения до максимального значения выделяемая на элементах МП мощность будет увеличиваться пропорционально значению U_{ВХ.МАКС}/U_ВХ.МИН. Так, для сети входного напряжения с четырехкратным диапазоном изменения это будет уже 8 Вт!

Расчет был сделан для самого маломощного МП. Для модуля с выходной мощностью, например, 160 Вт значение выделяемой при КЗ мощности выглядит просто угрожающе! А МП мощностью 400 Вт просто моментально вышел из строя, когда попытались проверить работу защиты от КЗ, но не при минимальном входном напряжении, а при номинальном.

Поинтересуйтесь у производителя, как проверяется работа защиты от КЗ. Например, в том же БКЯЮ.436630.001ТУ п. 7.3.8.1 с. 36, 37 способ проверки изложен следующим образом (рис. 3).

Рис. 3. Выдержка из БКЯЮ.436630.001ТУ (с. 36, 37)

Вот, оказывается, в чем причина! Модули спроектированы так, что не обеспечивают защиту от КЗ при номинальном или максимальном входном напряжении! Защита от КЗ должна работать во всем диапазоне рабочих напряжений МП, а не только при минимальном входном напряжении. А как проверяет ее изготовитель, потребителю нет дела! Это должна быть забота производителя — обеспечить надежную работу МП при всех значениях входного напряжения.

Разработчику РЭА необходимо помнить, что в режиме перегрузки по току и КЗ модуль питания находится каждый раз при включении и при скачкообразном увеличении тока нагрузки независимо от величины входного напряжения. Так что рано или поздно такой МП выйдет из строя. Надежными подобные МП не назовешь, и устанавливать их в РЭА не следует во избежание будущих отказов. Выбирая модуль для своей РЭА, разработчик должен внимательно изучать ТУ и не бояться выяснять у производителя нюансы работы МП в разных режимах. Ведь и ТУ излагаются порой так, чтобы скрыть недостатки конструкции или схемы МП.

Если надежностные характеристики МП определены, модули выбраны, необходимо перейти к оценке его функциональных возможностей и соответствия их требованиям ТУ.

Одна из важных характеристик МП — возможность запуска и работы на емкостную нагрузку. Максимальная емкость нагрузки — это такое значение емкости, при котором при номинальной активной нагрузке МП запускается за оговоренное в ТУ время при подаче входного напряжения. Разные производители МП описывают в ТУ эти возможности по-разному. Например, для МП ООО «АЭИЭП» максимальная емкость нагрузки С_Н для каждого номинала мощности МП определяется по упрощенной формуле:

С_Н = К/U_ВЫХ,

где К — некоторый эмпирический коэффициент, полученный опытным путем.

Как видно из выражения, для разных выходных напряжений МП одной мощности максимально допустимые значения С_Н будут различаться. Например, для МП серии МДМ30 (БКЮС.430609.001ТУ, с. 37) имеем: К = 2500 мкФ×В. При выходном напряжении U_ВЫХ = 27 В имеем емкость нагрузки С_Н = 2500 / 27 = 93 мкФ. А при выходном напряжении U_ВЫХ = 5 В максимальная емкость нагрузки С_Н = 2500 / 5 = 500 мкФ.

ООО «АЕДОН» задает значение максимальной емкости нагрузки С_Н табличным способом. В БКЯЮ.436630.001ТУ (с. 54) приведены значения С_Н для МП также серии МДМ (рис. 4).

Рис. 4. Выдержка из БКЯЮ.436630.001ТУ (с. 54)

При значении нагрузочной емкости С_Н = С_ВЫХ обеспечивается запуск МП в соответствии с требованиями ТУ, при С_Н > С_МАКС запуск МП не гарантируется. Например, для такого же МП мощностью 30 Вт имеем С_Н = 20 мкФ. Слишком малая величина. Реальное значение С_Н наверняка больше, но разработчик РЭА, выбравший такой МП для своей РЭА, должен довольствоваться лишь этой величиной. ТУ — документ!

Табличный способ нормирования емкостной нагрузки имеет право на существование. Удивляет другое: значение емкости нагрузки С_Н одинаково в диапазоне выходных напряжений 15–27 В! И даже одинаково для МП разных мощностей 30–50 Вт! Но «этого не может быть, потому что не может быть никогда»! Такая «таблица» сбивает с толку разработчиков, сеет недоверие и к другим данным, приведенным в ТУ. Не поленитесь связаться с производителем и получить «документальные» подтверждения возможности работы МП на конкретное значение емкости нагрузки в вашем приборе. Либо поменяйте изготовителя МП на другого, у которого в ТУ все понятно и логично.

Доступным и простым способом проверки функциональных возможностей МП является анализ параметров переходного отклонения (ПО) выходного напряжения при скачкообразном изменении входного напряжения и выходного тока. Простые правила позволят вам классифицировать качество электрических параметров выбранного МП. Во-первых, переходный процесс на выходе МП может быть колебательным или апериодическим. Апериодический процесс свидетельствует о достаточном запасе устойчивости МП, колебательный — об отсутствии такого запаса. Во-вторых, обратите внимание на форму переходного процесса. «Провал» выходного напряжения при увеличении выходного тока у корректно спроектированных МП обычно меньше, чем «выброс» при таком же диапазоне изменения выходного тока. Ведь «ликвидация провала» осуществляется током бόльшего значения, чем «ликвидация выброса». Как пример в [1] приведена осциллограмма переходного процесса МП постоянного тока серии МДМ мощностью 340 Вт с выходным напряжением 50 В производства ООО «АЕДОН» (рис. 5). При скачкообразном изменении тока переходное отклонение, по утверждению автора, составляет (–35/+5)% относительно номинального значения выходного напряжения. И хотя переходный процесс апериодический, удовлетворительным его признать нельзя — «провал» выходного напряжения значительно больше «выброса», что говорит о перекорректированной обратной связи или о неправильно организованной схеме питания узла обратной связи преобразователя.

Рис. 5. Переходный процесс на выходе плохо разработанного МП

Такой «провал» в выходном напряжении наверняка приведет к сбою в питаемой аппаратуре.

В [2] приведены осциллограммы переходного процесса корректно спроектированного МП (рис. 6а, б). Это модуль питания серии МДС12-Е09, входное напряжение 10–50 В, выходное напряжение 9 В, выходной ток 12 А. Желтым цветом показано входное напряжение 47 В, зеленым — переменная составляющая выходного напряжения при скачкообразном изменении выходного тока от 0 до 12 А (рис. 6а) и от 12 до 0 А (рис. 6б).

Рис. 6. Переходные процессы на выходе корректно спроектированного МП:
а) при скачкообразном изменении выходного тока от 0 до 12 А;
б) при скачкообразном изменении выходного тока от 12 до 0 А

Кроме того, разработчик РЭА должен внимательно ознакомиться с соответствующими пунктами ТУ, чтобы понять, в каких режимах работы МП получены те или иные осциллограммы. Например, ГОСТ В 24425 устанавливает скачкообразное изменение воздействующего фактора — выходного тока или входного напряжения. А вот в БКЯЮ.436630.001ТУ (ООО «АЕДОН») на с. 11 требование изложено следующим образом (рис. 7).

Рис. 7. Выдержка из БКЯЮ.436630.001ТУ (с. 11)

Грамотный инженер сразу задаст вопрос: «Так скачкообразное изменение или с фронтом не менее 0,5 мс? Тут либо одно, либо другое!»

ГОСТ В 24425 устанавливает скачко­образное изменение воздействующего фактора — входного напряжения или выходного тока, потому что такое воздействие характеризует предельные возможности МП. Переходное отклонение в этом случае будет максимальным. Если же испытание проводить пологим фронтом, то за время фронта МП частично отработает воздействие и результат будет лучше. В данном случае, даже если МП работает на довольно низкой частоте 100 кГц, за 0,5 мс проходит 50 периодов работы преобразователя и результат будет существенно улучшен. То, что нарушено требование ГОСТ, — это еще полбеды. Беда в том, что, если у потребителя характер изменения тока нагрузки реально скачкообразный, он получит совсем не тот результат, на который рассчитывает. В качестве примера на рис. 8 показан переходный процесс на выходе МП МДМ20-1Б05ТУВ БКЯЮ.436630.001ТУ производства ООО «АЕДОН» (входное напряжение 10,5–36 В, выходное напряжение 5 В, номинальный выходной ток 4 А) при скачкообразном изменении выходного тока от 4 до 0,4 А.

Рис. 8. Переходный процесс на выходе МП МДМ20-1Б05ТУВ БКЯЮ.436630.001ТУ при скачкообразном изменении выходного тока

При минимальном входном напряжении реальное ПО составляет 28%. Здесь разработчик МП откровенно схитрил, не сумев добиться от МП заявленных в ТУ результатов. Читайте ТУ внимательно, а потом уже выбирайте модули питания и закладывайте в свою РЭА во избежание будущих проблем!

Отдельно нужно обсуждать вопрос о помехах, которые генерирует унифицированный МП во входную сеть. Дело в том, что входной фильтр такого МП практически выполняет лишь функцию сглаживания импульсного тока, потребляемого силовым каскадом МП. В результате сглаживания входной ток МП представляет собой постоянную составляющую с небольшой (около 10%) пульсацией на частоте преобразования. Уровень же помех на входе МП таков, что не входит даже под кривую 3 норм по ГОСТ В 25803. И это происходит как у отечественных МП, так и у импортных! В [3] приведены сравнительные спектры помех на входе однотипных МП разных производителей: МП DVHF283R3S фирмы VPT Power (входное напряжение 28 В, выходное напряжение 3,3 В, мощность 10 Вт) и МП МДМ10-1Е3,3ВУП ООО «АЭИЭП» с такими же характеристиками. На рис. 9 и 10 показаны сравнительные спектры кондуктивных помех на входе МП в диапазоне 0,1–1 МГц и 1–30 МГц соответственно вышеупомянутым МП без входного фильтра. Вывод очевиден: уровень помех практически одинаков, а первые гармоники превышают нормы даже кривой 3 ГОСТ В 25803 у обоих МП. Разница только в том, что МП DVHF283R3S работает на частоте 450 кГц, а МП МДМ10-1Е3,3ВУП — на частоте 240 кГц, поэтому на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) рис. 9а два «лепестка», а на левой АЧХ рис. 10а — четыре.

Рис. 9. Спектр кондуктивных помех на входе МП DVHF283R3S, включенного без фильтра на входе, в диапазоне частот:
а) 0,1–1 МГц;
б) 1–30 МГц

Рис. 10. Спектр кондуктивных помех на входе МП МДМ10-1Е3,3ВУП, включенного без фильтра на входе, в диапазоне частот:
а) 0,1–1 МГц;
б) 1–30 МГц

Серьезные производители в материалах по применению МП указывают на необходимость включения последних в РЭА или для измерения помех только вместе с элементами помехоподавления или даже с фильтрами радиопомех (ФРП). Так, как это делает фирма VPT Power, которая рекомендует включать упомянутый МП только вместе с ФРП типа DVMH28. Аналогичные указания дает и ООО «АЭИЭП». Фирма даже выпустила отдельный документ — руководящие технические материалы по применению модулей защиты и фильтрации БКЮС.681468.240Д1, где подробно рассмотрены вопросы электромагнитной совместимости, которые решает разработчик, применяя импульсные МП.

На рис. 11 показан спектр радиопомех того же МП с фильтром типа МРМ1-В2,5ДМ БКЮС.468240.003-01 ТУ на входе. При таком включении уровень радиопомех на входе находится под кривой 1 ГОСТ В 25803. Аналогичный результат имеет и модуль DVHF283R3S фирмы VPT Power с ее фильтром DVMH28.

Рис. 11. Спектр кондуктивных помех на входе МП МДМ10-1Е3,3ВУП с фильтром МРМ1-В2,5ДМ на входе в диапазоне частот:
а) 0,1–1 МГц;
б) 1–30 МГц

В ТУ на МП нужно обязательно перечислить требования по подключению МП в РЭА с точки зрения как минимизации уровня радиопомех, так и получения заявленных в ТУ статических и динамических характеристик. Если в ТУ таких сведений не оказывается — это недоработка производителя МП, небрежное отношение к потребителю, неуважение к нему. Требуйте в этом случае дополнительных «документальных» разъяснений либо меняйте производителя во избежание будущих проблем.