Дмитрий Еськин
Новости Электроники 4, 2009
Компания TDK-Lambda – один из ведущих производителей источников питания для жестких климатических условий. В статье описываются линейки AC/DC-преобразователей HWS, HWS-HD и PFE с рабочим температурным диапазоном от -40 до 100°С, выходным напряжением от 3,3 до 60 В и выходным током до 300 А.
Основная масса источников питания, выпускаемых европейскими, американскими и азиатскими производителями, рассчитана на температуру выше -10°С. В силу низкого спроса на основных рынках сбыта (Юго-Восточная Азия, Европа, Северная Америка), источники питания для жестких условий эксплуатации не являются массовой продукцией, и их разработка и производство для большинства фирм-изготовителей является экономически невыгодными.
Но если для стран Азии, большей части Европы и Америки температуры ниже -10°С являются экстремальными, то даже для средней полосы России, не говоря уже про районы Крайнего Севера, такие условия являются нормой жизни. Поиск и выбор источника питания для жестких условий эксплуатации – насущная проблема для любого российского разработчика, когда-либо занимавшегося проектированием аппаратуры для использования в неотапливаемых помещениях и на улице.
К источнику питания в таких условиях предъявляются более серьезные требования, чем к другим элементам электронного устройства. Отдельной проблемой является включение импульсного источника питания при отрицательных температурах, что связано с особенностями его схемотехники.
В состав любого типового контроллера импульсного источника питания входит компаратор, служащий для управления током на выходе преобразователя. Он имеет время невосприимчивости, рассчитываемое для нормальных условий эксплуатации (обычно около 100 нс). Оно необходимо для полноценного открытия МОП-транзистора с момента подачи на него управляющего сигнала и до момента измерения тока. Однако при низких рабочих температурах (ниже -20°С), МОП-транзистор не успевает полностью открыться за это время, это явление связано с уменьшением подвижности носителей заряда в полупроводнике. Поскольку величина падения напряжения на МОП–транзисторе имеет тенденцию изменяться при различной температуре, может наблюдаться неточность в ограничении тока, вплоть до полного отсутствия тока.
Ситуация усугубляется тем, что многие современные источники питания имеют системы «мягкого старта». Как правило, эти системы построены на термисторе с обратным температурным коэффициентом, включаемым во входную цепь. Такая схема способна вполне эффективно ограничивать пусковой ток, но при низких температурах термистор ограничивает ток сверх меры. При достаточно низкой температуре ток через термистор будет ничтожно мал. В этом случае систему вообще невозможно включить.
Для того, чтобы запустить источник питания при отрицательных температурах, необходимо дать прибору прогреться. Это может быть сделано посредством локального обогрева преобразователя до необходимой температуры при помощи внешнего источника тепла (мощного резистора), однако, эта мера может существенно снизить КПД устройства в целом при низкой мощности источника питания. Кроме того, это отрицательно сказывается на надежности устройства.
Можно также попытаться запустить такой источник «вручную» – последовательно включить и выключить прибор несколько раз с интервалом в 2-3 секунды, попытаться запустить его при минимально возможной нагрузке, но эти меры, конечно же, не подходят для промышленного использования.
В итоге наилучшим решением является использование приборов, параметры которых изначально предусматривают эксплуатацию при низких температурах.
Например, режим мягкого запуска, для которого используется термистор, служит большей частью для защиты от перенапряжения самого источника питания в момент включения, в частности, емкостей на входе преобразователя, не рассчитанных на перенапряжения, возникающие при включении. Решением может являться полный отказ от использования термистора на входе и замена конденсаторов на более устойчивые к перенапряжению, но при этом – более дорогие.
Введение в схему дополнительных элементов термоконтроля и термокомпенсации также поможет решить возникающие при запуске и эксплуатации проблемы.
Все эти задачи уже решены в специализированных источниках питания, разработанных с учетом эксплуатации в условиях низких температур.
Многие источники питания одного из ведущих мировых производителей, компании TDK-Lambda, разработаны специально для эксплуатации в условиях с низкой температурой окружающей среды. Серия источников питания HWS вполне подойдет для использования в центральной полосе России – производитель гарантирует их запуск и работу при температурах от -10°С. Для более жестких условий крайнего Севера предназначена серия HWS-HD, диапазон рабочих температур которой начинается от -40°С.
Но к жестким условиям относится не только холод, но и излишнее тепло. Источники питания серии PFE способны гарантированно работать при температурах основания модуля до 100°С.
Источники питания для монтажа на шасси или DIN-рейку
Источники электропитания серии HWS/HD (рис. 1) выпускаются в широком диапазоне мощностей (15...1500 Вт) и напряжений (3,3...48 В) (табл. 1, 2).
Рис. 1. Внешний вид источников электропитания серии HWS
Рассматриваемые приборы являются очень неприхотливыми в отношении требований к качеству питающей сети. Допустимое входное напряжение лежит в диапазоне от 85 до 265 В переменного тока и 120...370 В при питании от сети постоянного тока. В случае если входное напряжение является переменным, его частота должна лежать в границах 47...63 Гц.
Таблица 1. Параметры источников электропитания серии HWS
| Модель | Номинальное выходное напряжение, В | Диапазон регулировки выходного напряжения, В |
Максимальный выходной ток, А |
Уровень пульсаций на выходе, мВ | КПД, % |
|---|---|---|---|---|---|
| HWS15-3/A | 3,3 | 2,97...3,96 | 3 | 120 | 68 |
| HWS30-3/A | 3,3 | 2,97...3,96 | 6 | 120 | 70 |
| HWS50-3/A | 3,3 | 2,97...3,96 | 10 | 120 | 76 |
| HWS100-3/A | 3,3 | 2,97...3,96 | 20 | 120 | 78 |
| HWS150-3/A | 3,3 | 2,97...3,96 | 30 | 120 | 78 |
| HWS15-5/A | 5 | 4,0...6,0 | 3 | 120 | 77 |
| HWS30-5/A | 5 | 4,0...6,0 | 6 | 120 | 77 |
| HWS50-5/A | 5 | 4,0...6,0 | 10 | 120 | 82 |
| HWS100-5/A | 5 | 4,0...6,0 | 20 | 120 | 83 |
| HWS150-5/A | 5 | 4,0...6,0 | 30 | 120 | 83 |
| HWS15-12/A | 12 | 9,6...14,4 | 1,3 | 150 | 80 |
| HWS30-12/A | 12 | 9,6...14,4 | 2,5 | 150 | 81 |
| HWS50-12/A | 12 | 9,6...14,4 | 4,3 | 150 | 81 |
| HWS100-12/A | 12 | 9,6...14,4 | 8,5 | 150 | 83 |
| HWS150-12/A | 12 | 9,6...14,4 | 13 | 150 | 83 |
| HWS15-15/A | 15 | 12,0...18,0 | 1 | 150 | 80 |
| HWS30-15/A | 15 | 12,0...18,0 | 2 | 150 | 81 |
| HWS50-15/A | 15 | 12,0...18,0 | 3,5 | 150 | 81 |
| HWS100-15/A | 15 | 12,0...18,0 | 7 | 150 | 83 |
| HWS150-15/A | 15 | 12,0...18,0 | 10 | 150 | 83 |
| HWS15-24/A | 24 | 19,2...28,8 | 0,65 | 200 | 82 |
| HWS30-24/A | 24 | 19,2...28,8 | 1,3 | 200 | 83 |
| HWS50-24/A | 24 | 19,2...28,8 | 2,2 | 150 | 82 |
| HWS100-24/A | 24 | 19,2...28,8 | 4,5 | 150 | 84 |
| HWS150-24/A | 24 | 19,2...28,8 | 6,5 | 150 | 85 |
| HWS15-48/A | 48 | 38,4...52,8 | 0,33 | 200 | 80 |
| HWS30-48/A | 48 | 38,4...52,8 | 0,65 | 200 | 82 |
| HWS50-48/A | 48 | 38,4...52,8 | 1,1 | 200 | 83 |
| HWS100-48/A | 48 | 38,4...52,8 | 2,1 | 200 | 84 |
| HWS150-48/A | 48 | 38,4...52,8 | 3,3 | 200 | 85 |
Таблица 2. Параметры источников электропитания серии HWS-HD
| Модель | Номинальное выходное напряжение, В |
Диапазон регулировки выходного напряжения, В |
Максимальный выходной ток, А |
Уровень пульсаций на выходе, мВ |
КПД, % |
|---|---|---|---|---|---|
| HWS50-3/HD | 3,3 | 2,97...3,96 | 10 | 120 | 76 |
| HWS100-3/HD | 3,3 | 2,97...3,96 | 20 | 120 | 78 |
| HWS150-3/HD | 3,3 | 2,97...3,96 | 30 | 120 | 78 |
| HWS300-3/HD | 3,3 | 2,64...3,96 | 60 | 120 | 74 |
| HWS600-3/HD | 3,3 | 2,64...3,96 | 120 | 120 | 75 |
| HWS1000-3/HD | 3,3 | 2,64...3,96 | 200 | 120 | 71 |
| HWS1500-3/HD | 3,3 | 2,4...3,96 | 300 | 150 | 72 |
| HWS50-5/HD | 5 | 4,0...6,0 | 10 | 120 | 82 |
| HWS100-5/HD | 5 | 4,0...6,0 | 20 | 120 | 83 |
| HWS150-5/HD | 5 | 4,0...6,0 | 30 | 120 | 83 |
| HWS300-5/HD | 5 | 4,0...6,0 | 60 | 120 | 79 |
| HWS600-5/HD | 5 | 4,0...6,0 | 120 | 120 | 80 |
| HWS1000-5/HD | 5 | 4,0...6,0 | 200 | 120 | 76 |
| HWS1500-5/HD | 5 | 4,0...6,0 | 300 | 150 | 77 |
| HWS1000-6/HD | 6 | 4,8...7,2 | 167 | 150 | 79 |
| HWS1500-6/HD | 6 | 4,8...7,2 | 250 | 150 | 79 |
| HWS1000-7/HD | 6 | 6,0...9,0 | 134 | 150 | 80 |
| HWS1500-7/HD | 6 | 6,0...9,0 | 200 | 150 | 81 |
| HWS50-12/HD | 12 | 9,6...14,4 | 4,3 | 150 | 81 |
| HWS100-12/HD | 12 | 9,6...14,4 | 8,5 | 150 | 83 |
| HWS150-12/HD | 12 | 9,6...14,4 | 13 | 150 | 83 |
| HWS300-12/HD | 12 | 9,6...14,4 | 27 | 150 | 80 |
| HWS600-12/HD | 12 | 9,6...14,4 | 53 | 150 | 80 |
| HWS1000-12/HD | 12 | 9,6...14,4 | 88 | 150 | 82 |
| HWS1500-12/HD | 12 | 9,6...14,4 | 125 | 150 | 82 |
| HWS50-15/HD | 15 | 12,0...18,0 | 3,5 | 150 | 81 |
| HWS100-15/HD | 15 | 12,0...18,0 | 7 | 150 | 83 |
| HWS150-15/HD | 15 | 12,0...18,0 | 10 | 150 | 83 |
| HWS300-15/HD | 15 | 12,0...18,0 | 22 | 150 | 80 |
| HWS600-15/HD | 15 | 12,0...18,0 | 43 | 150 | 81 |
| HWS1000-15/HD | 15 | 12,0...18,0 | 70 | 150 | 83 |
| HWS1500-15/HD | 15 | 12,0...18,0 | 100 | 150 | 83 |
| HWS50-24/HD | 24 | 19,2...28,8 | 2,2 | 150 | 82 |
| HWS100-24/HD | 24 | 19,2...28,8 | 4,5 | 150 | 84 |
| HWS150-24/HD | 24 | 19,2...28,8 | 6,5 | 150 | 85 |
| HWS300-24/HD | 24 | 19,2...28,8 | 14 | 150 | 82 |
| HWS600-24/HD | 24 | 19,2...28,8 | 27 | 150 | 82 |
| HWS1000-24/HD | 24 | 19,2...28,8 | 46 | 150 | 85 |
| HWS1500-24/HD | 24 | 19,2...28,8 | 65 | 200 | 84 |
| HWS1000-36/HD | 36 | 28,8...43,2 | 30,7 | 200 | 85 |
| HWS1500-36/HD | 36 | 28,8...43,2 | 42 | 200 | 84 |
| HWS50-48/HD | 48 | 38.4...52,8 | 1,1 | 200 | 83 |
| HWS100-48/HD | 48 | 38,4...52,8 | 2,1 | 200 | 84 |
| HWS150-48/HD | 48 | 38,4...52,8 | 3,3 | 200 | 85 |
| HWS300-48/HD | 48 | 38,4...52,8 | 7 | 350 | 82 |
| HWS600-48/HD | 48 | 38,4...52,8 | 13 | 350 | 83 |
| HWS1000-48/HD | 48 | 38,4...52,8 | 28 | 200 | 86 |
| HWS1500-48/HD | 48 | 38,4...52,8 | 32 | 200 | 86 |
| HWS1000-60/HD | 60 | 48,0...66,0 | 18,4 | 400 | 85 |
| HWS1500-60/HD | 60 | 48,0...66,0 | 25,6 | 400 | 86 |
Способность выдерживать воздействие неблагоприятных внешних факторов обеспечивается защитным покрытием обеих сторон печатной платы. Модули соответствуют требованиям военного стандарта MIL-STD-810F (Military Standard, Environmental Test Methods and Engineering Guidelines) по устойчивости аппаратуры к воздействию вибрации и механических ударов.
Источники серии HWS могут использоваться в любом оборудовании, требующем высоконадежного электропитания, но особенно актуальны для применения в оборудовании автоматизации производственных процессов, испытательном и измерительном оборудовании, медицинской аппаратуре, аппаратуре средств связи и уличных большеформатных системах отображения информации.
Все приборы этой серии без каких-либо трудностей могут быть установлены на шасси. Для установки на DIN-рейку требуется специальные держатели (DIN rail bracket). Предлагаются держатели трех типоразмеров. Для крепления приборов серий HWS15 и HWS30 применяется держатель типоразмера DIN-01; HWS50 – DIN-02; HWS80, HWS100 и HWS150 – DIN-03. Устанавливаемый прибор жестко закрепляется в держателе, а затем устанавливается на DIN-рейку (рис. 2).
Рис. 2. Схема установки источника электропитания серии HWS на DIN-рейку при помощи DIN rail bracket
Модули питания для создания высоконадежных источников
Серия источников электропитания PFE (рис. 3) представляет собой AC/DC-преобразователь в формате full-brick. Номинал выходных мощностей лежит в диапазоне от 300 до 1000 Вт.
Рис. 3. Внешний вид источника электропитания серии PFE
Ряд выходных напряжений составляет 12, 28, 48 или 51 В, имеется возможность регулировки в диапазоне более чем ±20% от номинального значения выходного напряжения.
Нестабильность по напряжению и току составляет не более 0,4%. Диапазон входных напряжений лежит в пределах от 85 до 265 В переменного тока частотой 47...440 Гц. Благодаря встроенной функции активного распределения тока нагрузки возможно параллельное подключение до шести модулей, что позволяет увеличить суммарную мощность и обеспечить резервирование питания. Также допускается последовательное включение модулей.
Модули PFE имеют активную коррекцию коэффициента мощности, электрическую прочность гальванической развязки «вход-выход» 3 кВ и защиту от импульсного перенапряжения до 6 кВ, снабжены защитой от перенапряжения, перегрузки по току и перегреву.
Приборы данной серии обладают малыми габаритами и очень высокой удельной мощностью. Низкий профиль приборов позволяет устанавливать их прямо на печатную плату и использовать в малогабаритной аппаратуре. Для обеспечения необходимого отвода тепла достаточно установить прибор на радиатор. Максимальная выходная мощность в 700 Вт модулей PFE700 может быть обеспечена при температуре окружающей среды до 100°С, что делает прибор незаменимым там, где обычные источники электропитания оказываются неработоспособными.
Все рассмотренные приборы соответствуют требованиям стандарта SEMI F47, определяющего уровень чувствительности прибора к качеству питающего напряжения, в частности, – к его кратковременным провалам.
Таблица 3. Параметры источников электропитания серии PFE
| Модель | Номинальное выходное напряжение, В |
Диапазон регулировки выходного напряжения, В |
Максимальный выходной ток, А |
КПД, % |
|---|---|---|---|---|
| PFE300-12 | 12 | 9,6...14,4 | 25 | 81 |
| PFE500-12 | 12 | 9,6...14,4 | 33 | 82 |
| PFE500-12 | 12 | 9,6...14,4 | 42 | 81 |
| PFE1000-12 | 12 | 9,6...14,4 | 60 | 80 |
| PFE300-28 | 28 | 22,4...33,6 | 10,8 | 83 |
| PFE500-28 | 28 | 22,4...33,6 | 18 | 84 |
| PFE500-28 | 28 | 22,4...33,6 | 18 | 84 |
| PFE1000-28 | 28 | 22,4...33,6 | 36 | 84 |
| PFE300-48 | 48 | 38,4...57,6 | 6,3 | 84 |
| PFE500-48 | 48 | 38,4...57,6 | 10,5 | 84 |
| PFE500-48 | 48 | 38,4...57,6 | 10,5 | 84 |
| PFE1000-48 | 48 | 38,4...57,6 | 21 | 84 |
| PFE700-48 | 51 | - | 14 | 86 |
