Как разработчику РЭА быстро оценить надежность и функциональные возможности модуля питания

№ 3’2020
PDF версия
Рассматриваются параметры унифицированных модулей питания, анализируя которые, разработчик РЭА может быстро и просто сделать вывод о надежности и функциональных возможностях данного устройства.

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 IВХ КЗ ≤ 0,4 А.

Выдержка из КЦАЯ.430630.001ТУ (с. 24)

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

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

РВХ = РВЫХ / η =4 Вт.

На элементах модуля выделяется максимальная мощность РМАКС = РВХРВЫХ = 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:

РВХ = UВХ МАКС × IВХ КЗ = 36×0,4 = 14,4 Вт.

Передаваемая же на выход мощность РВЫХ 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 IВХ 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).

Выдержка из БКЯЮ.436630.001ТУ (с. 24)

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

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

IВХ КЗ = IВХ.МАКС /1,5 = 0,67×IВХ.МАКС.

Мощность, выделяемая на элементах МП в этом режиме:

РМАКС = IВХ КЗ×UВХ.МИН = 0,67×РВЫХ.

Для такого же МП мощностью 3 Вт мощность, выделяемая на ЭРИ при КЗ, составляет: РМАКС = 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 UВХ.МАКС/UВХ.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).

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

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 СН для каждого номинала мощности МП определяется по упрощенной формуле:

СН = К/UВЫХ,

где К — некоторый эмпирический коэффициент, полученный опытным путем.

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

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

Выдержка из БКЯЮ.436630.001ТУ (с. 54)

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

При значении нагрузочной емкости СН = СВЫХ обеспечивается запуск МП в соответствии с требованиями ТУ, при СН > СМАКС запуск МП не гарантируется. Например, для такого же МП мощностью 30 Вт имеем СН = 20 мкФ. Слишком малая величина. Реальное значение СН 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 СН 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.

Переходный процесс на выходе плохо разработанного МП

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).

Переходные процессы на выходе корректно спроектированного МП

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).

Выдержка из БКЯЮ.436630.001ТУ (с. 11)

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.

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

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.

Спектр кондуктивных помех на входе МП DVHF283R3S, включенного без фильтра на входе, в диапазоне частот

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

Спектр кондуктивных помех на входе МП МДМ10-1Е3,3ВУП, включенного без фильтра на входе, в диапазоне частот

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.

Спектр кондуктивных помех на входе МП МДМ10-1Е3,3ВУП с фильтром МРМ1-В2,5ДМ на входе в диапазоне частот

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.

Литература
  1. Негреба О. Обеспечение качества энерго­снабжения импульсных нагрузок. Практические решения // Современная электроника. 2015. № 8.
  2. Миронов А. А. Формирование оптимальной структуры системы электропитания АФАР // Компоненты и технологии. 2019. № 10.
  3. Твердов И. В., Затулов С. Л. Новые малогабаритные DC/DC-модули АЭИЭП серии МДМ-ЕП. Доклад на конференции «Электропитание». Июнь 2017.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.