Американская премия Golden Mousetrap Awards вручается за создание наиболее перспективных технологий и компонентов в области электроники. В прошлом году одним из финалистов премии стало семейство модульных источников питания NDM3Z-90 от CUI. Такое внимание со стороны жюри из профессиональных электронщиков не случайно, ведь NDM3Z-90 являются первыми программируемыми DC/DC-преобразователями с цифровым управлением и выходным током 90 А.
 |
|
| Рис. 1. | Цифровые источники питания NDM3Z-90 с выходным током до 90 А от CUI. |
Требования к источникам питания электронных устройств все время ужесточаются. От них ждут постоянного качественного улучшения ключевых характеристик: роста стабильности выходного напряжения, уменьшения уровня шумов, увеличения выходного тока и снижения габаритов.
 |
|
| Рис. 2. | Требования к современным источникам питания. |
Электронная промышленность стремительно уходит от применения мощных централизованных систем питания. Вместо этого все большую популярность получает распределенная архитектура POL (Point-Of-Load). POL подразумевает, что все устройства системы подключены к общей шине питания с повышенным напряжением 12/ 24/ 48/ 72 В, а для получения других уровней напряжения используются индивидуальные «точечные» источники.
Традиционные источники питания представляют собой аналоговые преобразователи напряжения. Сейчас в большинстве случаев применяют импульсные преобразователи (DC/DC-регуляторы), а линейные стабилизаторы используются только для устройств малой мощности. Говоря «аналоговые преобразователи», подразумевают, что системы управления силовыми каскадами в таких регуляторах строятся на базе аналоговых компонентов (Рис. 3). Обычно выходное напряжение сравнивается с опорным сигналом от ИОН с помощью усилителя рассогласования. Далее полученное напряжение используется для формирования аналоговых сигналов управления, например, для задания скважности ШИМ при коммутации силового ключа в DC/DC-преобразователях.
 |
|
| Рис. 3. | Блок-схема аналогового источника питания. |
Регуляторы с аналоговым управлением имеют массу достоинств, в частности низкую стоимость, простоту реализации схем. Однако есть у них и недостатки: невысокая точность, разброс параметров, зависимость выходного напряжения от температуры. Кроме того, КПД аналоговых преобразователей имеет оптимальное значение только при определенных значениях выходного тока. Обычно при малых нагрузках КПД резко падает. Чтобы повысить эффективность при малых нагрузках, требуется снабдить систему дополнительными интеллектуальными функциями. Результатом таких усовершенствований становятся преобразователи с цифро-аналоговым управлением.
Цифро-аналоговые источники питания имеют в своем составе цифровые блоки, которые участвуют в управлении импульсным преобразователем и могут конфигурироваться с помощью внешнего контроллера (Рис. 4). Блоки цифрового управления позволяют задавать частоту коммутации, уровни рабочих и аварийных напряжений и т. д.
 |
|
| Рис. 4. | Блок-схема источника питания с комбинированным цифро-аналоговым управлением. |
Однако, несмотря на появление цифрового функционала, структура формирования сигнала рассогласования остается аналоговой. Это приводит к наличию погрешностей и невозможности динамического изменения выходного напряжения. Последний факт особенно важен, так как изменение уровня напряжения питания – ключевой фактор для оптимизации потребления в цифровых системах. Например, если процессор не выполняет активных вычислений, то его питающее напряжение может быть уменьшено, что приведет к значительному снижению потребления. При увеличении вычислительной нагрузки на процессор напряжение питания вновь возвращается к высокому значению, а производительность процессора возрастает. Такое динамическое управление питанием уже является стандартом для большинства процессоров и требует для своей реализации цифровых источников питания.
В источниках питания с цифровым управлением сигналы обратной связи оцифровываются с помощью АЦП. Дальнейшая обработка происходит исключительно в цифровой форме. Для этого в составе ИП присутствует собственный сигнальный процессор или ПЛИС (Рис. 5). После выполнения всех вычислений происходит формирование задающего аналогового напряжения с помощью ЦАП. Полученный сигнал используется для управления силовой частью схемы.
 |
|
| Рис. 5. | Блок-схема цифрового источника питания. |
Источники с цифровым управлением позволяют добиваться максимального КПД, подстраиваясь под нагрузку и меняя частоту коммутации. Также они могут отрабатывать и компенсировать влияние различных факторов (нагрузки, входного напряжения, температуры и т. д.). Впрочем, очевидным недостатком таких устройств является сложность реализации. Однако решить эту проблему можно при использовании готовых модульных систем. Например, цифровых источников питания NDM3Z-90 от компании CUI.
NDM3Z-90 – семейство цифровых мощных преобразователей от компании CUI с программируемым выходным напряжением 0.6…1.8 В и током до 90 А. Данное семейство является развитием младшей линейки источников питания NDM2Z, выходной ток которых достигал 50 А. Преобразователи NDM3Z-90 выпускаются в виде законченных открытых модулей с тремя вариантами исполнений: для горизонтального монтажа с DIP-контактами, для горизонтального монтажа с SMT-контактами, для вертикального монтажа с DIP-контактами (Рис. 6).
 |
|
| Рис. 6. | Внешний вид модулей NDM3Z-90. |
Главным достоинством NDM3Z-90 является возможность программирования практически всех параметров:
- выходного напряжения в диапазоне 0.6…1.8 В;
- частоты коммутации в диапазоне 200…640 кГц;
- времени включения и выключения;
- напряжения включения (функция Power Good);
- диапазона допустимого входного напряжения;
- аварийных значений выходного напряжения;
- аварийных значений выходного тока;
- аварийных значений температуры и т.д.
NDM3Z-90 также позволяет производить полный мониторинг входных и выходных значений токов и напряжений, а также температуры и других параметров.
Модули NDM3Z-90 представляют собой готовое решение. В их составе уже присутствуют все необходимые блоки: синхронный инвертор и цифровая схема управления (Рис. 7). Можно отметить, что инвертор реализован в виде двух силовых плеч с независимым управлением.
 |
|
| Рис. 7. | Структурная схема модулей NDM3Z-90. |
Схема включения для модулей питания NDM3Z-90 оказывается достаточно простой. При этом особо стоит отметить, что для них допускается параллельное соединение до четырех источников (Рис. 8). В этом случае суммарный ток возрастает до 360 А! Таким образом, пользователь может предусмотреть штатное увеличение мощности системы с шагом в 162 Вт.
 |
|
| Рис. 8. | Типовая схема параллельного включения модулей NDM3Z-90. |
Важным показателем любого источника питания является КПД. Для NDM3Z-90 КПД зависит от уровня входного, выходного напряжения и величины тока. При максимальном выходном напряжении 1.8 В КПД достигает 95% (Рис. 9). Стоит, однако, отметить, что при малых выходных токах (менее 10 А) эффективность источника резко падает, что объясняется собственным потреблением. Эту особенность необходимо учитывать.
 |
|
| Рис. 9. | КПД модулей NDM3Z-90 при различных выходных напряжениях. |
Если предполагается питание нагрузки меньшей мощности, логично использовать младшую линейку цифровых источников питания NDM2Z от той же компании CUI. Модульные программируемые преобразователи NDM2Z характеризуются максимальным выходным током от 12 до 50 А в зависимости от модели.
В качестве заключения хочется отметить, что преобразователи NDM3Z-90 и NDM2Z сообща перекрывают широкий диапазон мощностей. Они имеют высокий потенциал применения в составе производительных вычислительных систем для самых различных областей электроники.
Характеристики цифрового источника питания NDM3Z-90HT:
- диапазон выходных напряжений: программируется 0.6…1.8 В;
- диапазон входных напряжений: 7.5…14 В;
- максимальный выходной ток: 90 А;
- мощность: 162 Вт;
- рабочая частота: программируется в диапазоне 200…640 кГц;
- точность выходного напряжения: ±1%;
- уровень шума: 2.5 (Uвых = 0.6 В). 3.5 (Uвых = 1.0 В). 5.0 (Uвых = 1.8 В);
- защитные функции: от перенапряжений, просадки напряжения, перегрузки по току, перегрева;
- диапазон рабочих температур: –40…+150 °C;
- корпус: DIP-корпус 50.8 × 19.05 × 10 мм.
О компании:
CUI Inc. – американская компания, которая специализируется на разработке и производстве электронных компонентов и различных источников питания (AC/DC и DC/DC). В частности, CUI Inc. предлагает мощные цифровые DC/DC-преобразователи с выходным током до 90 А. Также компания занимается выпуском соединителей, микрофонов и других компонентов.
Посмотреть подробнее характеристики цифровых источников питания от CUI Inc.
