Источники питания TDK-Lambda открытого исполнения

Евгений Рабинович (TDK-Lambda)

В линейка источников питания открытого исполнения производства TDK-Lambda пополнилась сериями EFE300 и EFE400 с цифровым управлением. Они отдают нагрузке 300 и 400 Вт непрерывной мощности, соответственно. Их миниатюрные габариты и улучшенные технические характеристики позволяют успешно использовать источники питания в таких ответственных применениях, как медицинские, сетевые, измерительные и охранные системы.

Источники питания (ИП) открытого исполнения часто используются в качестве компонентных источников питания в промышленном оборудовании, блоках автоматики, радиопередающих станциях, в системах охраны и безопасности, а также в торговой электронике. Поскольку корпуса перечисленного оборудования отвечают требованиям эксплуатационной безопасности, ИП освобождаются от таких требований и могут быть более дешевыми, зачастую представляя собой печатную плату с крепежными отверстиями. В этом – причина их высокой востребованности на рынке.

Компания TDK-Lambda не могла обойти вниманием данный сегмент применений.

Среди преобразователей открытого типа, выпускаемых компанией – серии ZPSA, ZWD, KPS, HWS, MTW, RTW.

Краткий обзор основных линеек источников питания открытого исполнения

Серия ZPSA – источники открытого исполнения для монтажа на печатной плате с выходной мощностью 20, 40 и 60 Вт (рис. 1). Они отличаются очень низким профилем (20 мм для 20-ваттных моделей и 27 мм – для 40- и 60-ваттных) и возможностью обеспечивать пиковые токи выше номинальных на 20% в течение 20-30 секунд.

Рис. 1. Источники питания серии ZPSA

Список моделей ZPSA

 

Модель	Выходная характеристика			Модель	Выходная характеристика
	Напряжение	Ток			Напряжение	Ток
ZPSA20-3R3	3.3 В	4.4 А		ZPSA40-15	15 В	2.67 А
ZPSA40-3R3	3.3 В	6 А		ZPSA60-15	15 В	4 А
ZPSA60-3R3	3.3 В	8 А		ZPSA20-24	24 В	0.9 А
ZPSA20-5	5 В	4.4 А		ZPSA40-24	24 В	1.67 А
ZPSA40-5	5 В	6 А		ZPSA60-24	24 В	2.5 А
ZPSA60-5	5 В	8 А		ZPSA40-28	28 В	1.43 А
ZPSA20-9	9 В	2.4 А		ZPSA60-28	28 В	2.14 А
ZPSA40-9	9 В	4.45 А		ZPSA40-30	30 В	1.33 А
ZPSA60-9	9 В	6.67 А		ZPSA60-30	30 В	2 А
ZPSA20-12	12 В	1.8 А		ZPSA40-36	36 В	1.11 А
ZPSA40-12	12 В	3.34 А		ZPSA60-36	36 В	1.67 А
ZPSA60-12	12 В	5 А		ZPSA40-48	48 В	0.834 А
ZPSA20-15	15 В	1.4 А		ZPSA60-48	48 В	1.25 А

 

Серия ZWD – ИП с двумя независимыми выходами и активным корректором коэффициента мощности, способные отдавать пиковую мощность 200% (рис. 2).

Рис. 2. Источники питания серии ZWD

Список моделей ZWD

 

Модель	Выходная характеристика
	Напряжение	Ток
ZWD100PAF-0524	5 В	5 А
	24 В	4 А
ZWD150PAF-0524	5 В	5 А
	24 В	6 А
ZWD225PAF-0524	5 В	5 А
	24 В	9 А

 

Как видно из рисунка 3, KPSA – это источники для PCB-монтажа, напоминающие ZPSA, низкомощные и, соответственно, более компактные.

Рис. 3. Источники питания серии KPSA

Список моделей KPS / KPSA

 

Модель	Выходная характеристика			Модель	Выходная характеристика
	Напряжение	Ток			Напряжение	Ток
KPS5-3R3	3.3 В	1.25 А		KPSA5-3R3	3.3 В	1.25 А
KPS10-3R3		2.5 А		KPSA10-3R3		2.5 А
KPS15-3R3		3 А		KPSA15-3R3		3 А
KPS5-5	5 В	1 А		KPSA5-5	5 В	1 А
KPS10-5		2 А		KPSA10-5		2 А
KPS15-5		3 А		KPSA15-5		3 А
KPS5-12	12 В	0.42 А		KPSA5-12	12 В	0.42 А
KPS10-12		0.84 А		KPSA10-12		0.84 А
KPS15-12		1.25 А		KPSA15-12		1.25 А
KPS5-15	15 В	0.33 А		KPSA5-15	15 В	0.33 А
KPS10-15		0.67 А		KPSA10-15		0.67 А
KPS15-15		1 А		KPSA15-15		1 А
KPS5-24	24 В	0.23 А		KPSA5-24	24 В	0.23 А
KPS10-24		0.42 А		KPSA10-24		0.42 А
KPS15-24		0.63 А		KPSA15-24		0.63 А

 

ИП известной серии HWS можно заказать в открытом исполнении Open Frame с мощностями от 15 до 150 ватт (рис. 4).

Рис. 4. Источники питания серии HWS открытого и закрытого исполнения

Источники питания серии ZWS можно заказать в исполнении Open Frame с мощностями от 50 до 150 ватт.

MTW – серия источников питания с тремя выходами, мощностями 15, 30 и 60 ватт и гарантийным сроком три года (рис. 5).

Рис. 5. Источники питания серии MTW исполнения PCB

Серия RTW – ИП с особо низким профилем, которые также изготавливаются в закрытом и открытом исполнениях, имеют довольно широкий диапазон подстройки выходного напряжения, активный ККМ и пять лет гарантии.

Модули EFE300 и EFE400

В недавно на рынке появился продукт, ставший настоящим прорывом в области АС/DC-преобразователей. Главной идеей было создание такого ИП, который мог бы уместиться в сверхмалом объеме в корпусах медицинских, сетевых, измерительных, охранных и других систем. Появившийся в результате ИП – намного компактнее, надежнее, экономичнее своих предшественников.

Речь идет о серии EFE300 и EFE400 с цифровой схемой контроля. Модуль EFE300 отдает нагрузке 300 Вт непрерывной мощности и 400 Вт пиковой мощности и имеет выходы 12 В/25 А или 24 В/12.5 А. EFE400 отдает 400 Вт в обычном режиме и 530 Вт – в пиковом. Его выходы имеют номиналы 12 В/33.3 А или 24 В/16.7 А. Эти модели могут быть запрограммированы на нестандартные напряжения систем заказчика. Возможна комплектация дополнительным выходом 12 В/0,25 А для охлаждающего вентилятора. Все модели работают от сети переменного тока диапазона 90...264 В, имеют активный корректор коэффициента мощности.

Такие характеристики EFE предполагают нестандартную топологию, представленную на рис. 6.

Рис. 6. Блок-схема источника питания EFE300 с цифровым управлением
на базе микроконтроллера AT90PWM2B (ATMEL)

Стандартные источники данной мощности обычно представляют собой AC/DC-преобразователь, осуществляющий коррекцию коэффициента мощности и топологию Forward для преобразования DC/DC (и топологию типа BOOST). В основе преобразователя EFE лежит резонансная топология. По внешнему виду схема почти ничем не отличается от обычной полумостовой, но регулирование осуществляется не по широтно-импульсному принципу, а по частотно-импульсному. Дополнительная емкость (на блок-схеме не показана), включенная последовательно с первичной обмоткой трансформатора, создает колебательный контур. В зависимости от режима работы переключение MOSFET-транзистора осуществляется в диапазоне от 200 до 700 кГц. Эти частоты лежат за пределами резонансных и дают возможность изменять напряжение, возникающее в первичной обмотке трансформатора. Во вторичной цепи источником напряжения являются вторичные обмотки, которые работают попеременно. Это напряжение, пропорциональное падению напряжения в первичной цепи, фильтруется и подается на выходные клеммы ИП. (EFE способен запускаться и без нагрузки, т.к. схема питания контроллера не зависит от тока, потребляемого нагрузкой).

Управление коммутацией осуществляется не стандартным драйвером-контроллером, а программируемым микроконтроллером. В модулях EFE используется микроконтроллер AT90PWM2B компании ATMEL. Это 8-битный контроллер, построенный по архитектуре RISC и имеющий 512 байт внутрисистемной памяти SRAM, столько же EEPROM-памяти, а также 8 кБ флэш-памяти. Его процессорный блок (CPU) работает на частоте 16 МГц. Контроллер имеет 11 входов для 10-битного АЦП-преобразования, два дифференцирующих канала для осуществления программируемого предварительного усиления, один канал для ЦАП-преобразования. Микросхема также имеет два независимых выходных канала для 8-битного и 16-битного формирования сигнала ШИМ. Встроенная схема формирования сигнала позволяет не только изменять его фазу, но и устанавливать его частоту, что и дает возможность осуществлять частотное регулирование.

Чтобы добиться АЦП-преобразования достаточно большого разрешения, замеры состояния выхода осуществляются с частотой около 80 кГц. Возникает вопрос: как же может осуществляться управление, когда коммутация уже достигает упомянутых 200...700 кГц? Дело в том, что схема регулирования построена не по типу Peak Current Control, когда обратная связь по току и напряжению определяет скважность каждого цикла сигнала ШИМ, а по типу Average Voltage Control. Данный тип управления основан на обратной связи по усредненному значению напряжения в выходном каскаде и уже не впервые применяется именно в резонансных топологиях.

Напряжение, пропорциональное выходному, поступает на один из АЦП-каналов контроллера от источника, обозначенного на схеме как Primary supply. Это гальванически развязанный источник с обмотками, намотанными на сердечнике основного трансформатора. Такое решение экономит место на плате и стоимость за счет отсутствия оптронной развязки.

Защита от перенапряжения осуществляется аналоговой схемой типа Clamping, сигнал от которой затем подается на микроконтроллер и в случае перенапряжения переводит источник в состояние «ВЫКЛ».

Защита от перегрева представляет собой четыре термодатчика, которые подают сигнал о перегреве на один из аналоговых каналов «вх/вых» микросхемы.

Контроллер также постоянно отслеживает значения напряжения на выходе ККМ и ток в контуре полумоста (Vboost и Isense на схеме). Эти значения дают возможность знать, какова мощность, отдаваемая источником в каждый момент времени. Если регистрируется мощность в пределах 133% от номинальной мощности, ИП продолжает работать, но при этом включается внутренний таймер, который при превышении допустимого интервала времени (как правило, 10 секунд) подает сигнал о прекращении подачи импульсов на открытие транзисторных ключей и переводит источник в состояние временного отключения. Таким образом обеспечивается работа преобразователя в режиме пиковой нагрузки без опасности выхода из строя каких либо активно греющихся компонентов.

В технике транзисторного переключения используется принцип переключения при нуле напряжения (ZVS – zero voltage switching). Когда ток протекает через верхний (на схеме) транзистор, напряжение между стоком и истоком близко к нулю. При запирании ключа ток не исчезает мгновенно из-за энергии, накопленной в индуктивности первичной обмотки. Напряжение в ней меняет свою полярность. При этом напряжение на истоке падает и может стать отрицательным по отношению к истоку нижнего транзистора. Через внутренний диод, направленный от истока к стоку, течет кратковременный ток, и эта разность потенциалов не будет больше, чем 0.5 В. Таким образом, на момент открытия нижнего транзистора на его стоке создается напряжение, очень близкое к нулю, и при этих условиях через него начинает течь ток. Поведение напряжения и тока транзистора можно видеть на экране осциллографа (рис. 7).

Рис. 7. Кривые тока и напряжения на транзисторах источника питания EFE300.
Переключение при нуле напряжения

Еще один важный момент состоит в том, что использование микроконтроллера обеспечивает очень стабильный «мертвый период» – время между закрытием первого транзистора и открытием второго. Отклонения от нормы составляют всего несколько наносекунд, в то время как в аналоговых схемах это может составлять несколько десятков наносекунд при тех же частотах. А это очень важно для стабильности режима «мягкого переключения» и для предотвращения коротких замыканий при коммутации.

Понятно, что применение переключения при нулевом напряжении позволяет существенно снизить потери мощности на коммутационных ключах и на несколько процентов повысить КПД источника.

В целом, применение микроконтроллера снизило количество элементов на 25%. Это позволило увеличить надежность, уменьшить вес и размер и достичь удельной мощности в 16 Вт/дюйм³ (1.01 Вт/см³) в номинальном режиме и 22 Вт/дюйм³ (1.34 Вт/см³) в пиковом режиме.

Кроме того, благодаря специальным алгоритмам программы микроконтроллера осуществляется точное слежение за аварийными ситуациями и предотвращение перенапряжения устройства.

Стандартная аналоговая схема контроля очень чувствительна к воздействию кондуктивных шумов. Их устранение – очень нелегкая задача, требующая не только опыта, но и инженерной интуиции. Поэтому отсутствие аналоговой схемы и осуществление контроля «внутри» микроконтроллера существенно повышает устойчивость ИП к помехам.

Рис. 8. Кривые спектра кондуктивных электромагнитных помех источника питания EFE300

Еще одно оригинальное решение состоит в том, как работает схема питания охлаждающего вентилятора (это опциональная добавка в серии EFE). После долгих обсуждений было решено применить схему управления с сенсорами температуры, обеспечивающую температурно-зависимую скорость вращения, а не зависимую от тока нагрузки, как в некоторых других сериях источников питания TDK-Lambda. В условиях динамических нагрузок, в которых источник может найти применение, данное решение обеспечивает более благоприятные характеристики акустических шумов.

В устройстве также используется обновленная конструкция трансформатора. Решено применить сдвоенный сердечник, вместо двух отдельных, применявшихся в подобных топологиях ранее. Вторичные обмотки на нем намотаны на двух симметричных раздельных плечах, а первичная обмотка – вокруг них сверху. В результате длина провода первичной обмотки существенно сокращена, потери в меди стали меньше, как и потери в стали. Индуктивность рассеяния увеличилась, но она играет положительную роль при режимах, близких к короткому замыканию. Зато, благодаря такой конструкции, было выиграно 2 мм высоты, что для источников открытого исполнения очень ценно. В целом эффективность трансформатора выросла на 1%.

Источники питания серии EFE доступны в полностью открытом исполнении, открытые на L- платформе, в закрытом корпусе с вентилятором и без вентилятора, а также в медицинском исполнении (EFE300М и EFE400М).

Все модели отвечают стандартам электробезопасности IEC/EN/UL/CSA 60950-1, требованиям Европейских Директив (СЕ) и стандартам IEC/EN 61010-1 для лабораторного и технологического оборудования. Приборы медицинского исполнения соответствуют требованиям UL60601-1, EN60601-1.

Хочется отметить также соответствия стандарту 61000-3-2 по кондуктивным гармоническим помехам. Как видно по пиковым значениям кривых на спектрограмме рис. 8, источник имеет очень хороший запас по амплитуде допустимых кондуктивных помех, что говорит об успешной компоновке и выборе элементов, отличной работе корректора коэффициента мощности, а также эффективной и стабильной работе в режиме ZVS.

Заключение

Работа по созданию данной серии источников питания – это очень хороший шаг в развитии силовой электроники. Он сделан на том важном этапе, когда кропотливые исследования и теоретические расчеты становятся частью реальной жизни. Серия EFE еще раз показывает пример успешного симбиоза аналоговой и цифровой схемотехники и важность применения цифровых микросхем для повышения эффективности в преобразовании и использовании электрической энергии. Это актуально в сетевом оборудовании, медицинских приборах, измерительных системах, системах охраны и безопасности и других применениях преобразователей питания.