CC BY
57Модули V-I Chip корпорации Vicor —
новый взгляд на конструирование систем вторичного электропитания. Часть 2
Владимир БЕЛОТУРОВ
vib@efo.ru Александр ЛЕОНОВ
alm@efo.ru
Напомним положения новой концепции построения источников питания, предложенной Уког. В ее основе лежит принцип разделения функций источника питания, таких как стабилизация, изоляция, трансформация напряжения и преобразование питания до нужного уровня по модулям, каждый из которых является функционально законченным и может работать обособленно или в различных комбинациях в зависимости от решаемых задач. Примеры таких решений будут описаны в данной статье.
Новая архитектура получила название Factorized Power Architecture, сокращенно FPA. Кроме этого, в статье приняты следующие сокращения: промежуточная шина питания — Factorized Bus, Vf. Vf формируется с помощью модуля стабилизатора напряжения — PRM (Pre-Regulator Module) или BCM (Bus Converter Module) — формирователя питающей шины. Гальваническая развязка и необходимое напряжение для питания конечных устройств получается с помощью модулей VTM (Voltage Transformation Module). Модули c обобщенным названием VI Chip (PRM, VTM, BCM) — новые продукты на рынке источников питания, они имеют свои характерные особенности и функциональные возможности. Цель данной публикации — познакомить с этими особеннос-
тями, а также возможностями, которые открываются при использовании этих продуктов. Конечно же, рамки статьи не позволяют детально ознакомить со всеми нюансами и особенностями применения VI Chip, но все необходимые для проектирования материалы, включая схемы, чертежи, руководства по разводке печатных плат и пайке, доступны на сайте производителя — www.Vicor.com.
Чтобы представлять себе, какие задачи можно решать, применяя модули VI Chip, остановимся на назначении всех выводов и функциях, которые они выполняют. Из этого описания становятся понятными функциональные возможности VI Chip при работе как с отдельно взятыми модулями, так и в составе систем, а также некоторые особенности их подключения.
Неизолированный импульсный стабилизатор
Pre-Regulator Module (PRM) — неизолированный импульсный стабилизатор, в котором силовые ключи переключаются при нулевом напряжении на них, по технологии ZVS (Zero Voltage Switching). Особенность стабилизатора — поддержание выходного напряжения на одном уровне при изменении входного напряжения как ниже, так и выше выходного, то есть он является одновременно вольтодобавочным и вольтовычитающим стабилизатором. PRM в архитектуре FPA выполняет функцию стабилизатора напряжения факторизованной шины (Vf) и, тем самым, регулирует выходное напряжение VTM при их совместной работе. Комбинация PRM и VTM создает изолированный, стабилизированный преобразователь DC/DC с местной обратной связью. PRM можно использовать и как отдельный стабилизатор с точностью стабилизации ±0,2% в случае, если в источнике не требуется гальваническая развязка.
Основные входные и выходные параметры PRM приведены в таблице 1.
Модули выпускаются в трех конструктивных исполнениях: с выводами J-Leads, для монтажа в отверстия и с интегрированным основанием-пластиной — серия VI Brick. Эти три модификации показаны на рис. 5 в 1-й части статьи. Существует два температурных диапазона эксплуатации: от -40 до +100 °С (исполнение «Т») и от -55 до +100 °С (исполнение «М»). КПД PRM > 95%; рабочая частота — 1,3 M^. На рис. 1 представлено схематическое изображение модуля PRM с габаритными размерами и обозначение его выводов.
] A VC ] В PC
тм
IL
NC
PR
JG
]н ] J ]К ]L
]м
]n
]р
—+IN
—IN
Рис. 1. Схематическое изображение модуля PRM и обозначение его выводов
Таблица 1. Основные входные и выходные параметры стабилизаторов PRM
PRM Ubx, Диапазон ивых, Мощность,
В Ubx, В В Вт
P024F048T12AL 24 18-36 26-55 120
P036F048T12AL 36 18-60 26-55 120
P048F048T12AL 48 36-75 26-55 120
P048F048T24AL 48 36-75 26-55 240
P045F048T17AL 45 38-55 26-55 170
P045F048T32AL 45 38-55 26-55 320
MP028F036M12AL 28 16-50 26-50 120
Модуль MP028F036M12AL разработан и соответствует всем требованиям для использования в военной технике. Все PRM имеют выходное напряжение 26-55 В для согласования с входом последующих VTM, также возможно их применение с POL-конвертерами с ивх 24 и 48 В.
Особенность модуля — это возможность задавать и управлять его выходными параметрами с помощью встроенного контроллера, добавляя минимальное количество дополнительных элементов, необходимых для настройки режима работы.
-In/+In — входы питания ивх
Входы питания модуля от DC-источника имеют встроенную защиту от перенапряжения (OVP — Over Voltage Protection) и пониженного напряжения (UVP — Under Voltage Protection), которые защищают модуль, блокируя его, если входное напряжение находится вне пределов разрешенного диапазона. Заблокированный модуль периодически пытается перезапуститься и выходит на рабочий режим, как только ивх попадает в рабочий диапазон. Между -In и +In модуля рекомендуется ставить электролитический конденсатор с низкой добротностью или RC-цепочку для обеспечения низкого входного импеданса. PRM не имеет защиты от подачи напряжения обратной полярности.
+Out/-Out выходы
Выход PRM имеет встроенные защиты от перенапряжения (OVP), превышения выходного тока и короткого замыкания. Выход -Out внутри модуля через резистор соединен с -In. Таким образом измеряется ток через модуль. Благодаря этому PRM может контролировать максимальную выходную мощность и ток, не допуская перехода в опасные режимы работы, поэтому ни при каких условиях нельзя закорачивать выход -Out с входом -In.
VC—управление VTM
VC-порт служит для управления модулем VTM. Через него осуществляется подача начального импульса питания на VTM и синхронизация подъема напряжения при включении VTM. Через этот порт осуществляется обратная связь для компенсации напряжения на внутреннем выходном сопротивлении VTM — так называемая адаптивная обратная связь (adaptive loop). Другими словами, при увели-
чении тока через VTM за счет внутренней обратной связи увеличивается выходное напряжение на выходе PRM или, что то же самое, на Vf. К одному PC-порту без принятия дополнительных мер может быть подключено до двух VTM.
PC — primary control
Порт PC используется для дистанционного включения/выключения модуля. Для этого можно применять оптроны, транзисторы или реле. На PC не должны подаваться сигналы управления с частотой больше 1 Гц. Сигнал включения/выключения — логический, 0/5 В относительно -In.
При включении нескольких PRM параллельно их выводы PC должны быть объединены, для синхронизации старта. При неисправности или срабатывании защит (UVP, OVP, перегрузки по току, перегреве) на выводе PC появляются импульсы, индицирующие попытки модуля перезапуститься. Когда же неисправность устранена и модуль переходит в нормальный режим функционирования, импульсы исчезают.
IL—установка предела срабатывания защиты по току
У PRM есть предварительно установленное, предельное значение выходного тока, по достижении которого срабатывает соответствующая защита, и модуль отключается. При этом на выводе PC появляются импульсы, сигнализирующие о неисправности. Вход IL предназначен для регулировки предельного тока, который можно при необходимости понизить подключением резистора между выводами IL и SG. Такая регулировка может потребоваться, например, для оптимизации предела мощности последующего VTM.
Если IL оставить разомкнутым, то предельное значение тока будет определяться внутренними заводскими настройками, указанными в data sheet.
Вход чувствителен к шумам и помехам, поэтому если он не задействован, необходимо его шунтировать керамическим конденсатором 0,1 мкФ.
PR — порт для параллельного включения
Сигнал на PR-порте пропорционален выходной мощности PRM, и, благодаря этому, обеспечивается равномерная загрузка (равномерное разделение токов) двух PRM при их параллельном включении. Входы PR чувствительны к шумам и помехам, поэтому должны быть приняты определенные меры для их минимизации. Для этого входы PR должны быть связаны между собой соединением с низким импедансом и использованы блокировочные конденсаторы. Для создания более мощных массивов, то есть при включении более двух PRM параллельно, требуются дополнительные соединения, описание которых можно найти в соответствующих руководствах по применению. При этом один из PRM устанав-
ливается «мастером», а остальные ведомыми. РИМ становится ведомым, если соединить выводы 8С и SG. Выводы РС всех модулей должны соединяться напрямую (без диодов) для обеспечения одновременного запуска.
УН — выход вспомогательного источника питания УН управляется сигналом с РС и при нормальной работе модуля составляет стабилизированные 9 В относительно SG с максимальным током потребления 5 мА. Этот источник можно использовать, когда модуль включен, чтобы питать энергией внешние электрические схемы. УН — незащищенный порт. Поэтому необходимо проявлять осторожность, чтобы не превысить максимальное значение тока, так как в противном случае возможно повреждение модуля.
8С — вход управления
Напряжение на нагрузке можно устанавливать, подключая резистор или источник напряжения к входу SC. Скоростью нарастания выходного напряжения можно управлять за счет скорости нарастания напряжения на входе SC, например, подсоединяя к нему конденсатор. Таким образом можно ограничивать пусковой ток в емкостной нагрузке и обеспечивать «мягкий старт» УТМ. Вход SC не защищен, поэтому превышение напряжения на нем может вывести из строя РИМ.
08 — установочный вход Используется для подстройки выходного напряжения — У£ за счет подключения резистора между выводами OS и SG. Расчет нужной величины резистора приводится в data sheet. Если резистор не подключен, то на выходе РИМ будет приблизительно 1 В.
— сигнальная «земля»
Этот вход обеспечивает низкоиндуктивное соединение с -1п. Напряжения входов OS, СБ, SC, УН, 1ь устанавливаются относительно SG. Напряжение между SG и -ОШ пропорционально току через РИМ.
СВ — компенсация напряжения За счет подсоединения резистора между СБ и SG осуществляется компенсация падения напряжения на выходном сопротивлении УТМ и проводниках между РИМ и УТМ.
Модули — трансформаторы напряжения: УЇМ, ВСМ
УТМ и ВСМ в архитектуре БРА выполняют роль трансформатора напряжения и усилителя тока, а также осуществляют гальваническую развязку. Преобразователи являются не-стабилизированными, то есть их выходное напряжение пропорционально входному и определяется коэффициентом трансформации: К = Ивых/Ивх. Применена запатентованная технология преобразования энергии,
названная SAC (Sinus Amplitude Convertion), a VTM и BCM, соответственно, SAC-конвертерами. Функциональная схема SAC-конвертера приведена в первой части статьи. В основе технологии лежит резонансный метод преобразования, при котором на трансформаторе формируется синусоидальное напряжение постоянной частоты. Рабочая частота определяется LxC^ контуром, где L — индуктивность рассеяния трансформатора, Срез — емкость. В отличие от ШИМ-преоб-разования, где коэффициент преобразования — «К» — лимитируется минимальной шириной импульсов (рабочим циклом) ключевых транзисторов, для SAC «К» может быть 1/32 и более и не зависит от величины входного напряжения. Встроенный контроллер только осуществляет переключение транзисторов в нужное время для достижения резонанса. Частота преобразования в SAC конвертерах Vicor может достигать 3,5 МГц.
Высокая рабочая частота и резонансный метод преобразования позволяют достичь существенных преимуществ по сравнению с традиционными схемами. К этим преимуществам относятся меньшие габариты, пониженный уровень шумов, малое время отклика при изменениях нагрузки. Высокий КПД (>95%) и малое время отклика достигаются благодаря тому, что SAC-конвертер не стабилизирует выходное напряжение, то есть в нем отсутствуют внутренняя обратная связь и регулирующие элементы. Конвертер только обеспечивает трансформацию со стабильным фиксированным коэффициентом, не требуется дополнительное время для отработки возмущающего сигнала и не возникает проблем с обеспечением стабильности.
Также одной из особенностей SAC является то, что его выход является низкоимпеданс-
ным, за счет отсутствия последовательных с нагрузкой индуктивностей. Время отклика на изменение нагрузки с 0 до 80 А составляет менее 1 мкс. Низкий выходной импеданс — одно из ключевых требований для питания нагрузок большим током и низким напряжением. Импеданс SAC низкий (составляет 1-150 мОм в зависимости от К) и постоянный вплоть до частоты 1 МГц.
У SAC-конвертеров есть интересное свойство: емкость фильтра на выходе может быть заменена эквивалентной, в К2 раз меньшей, поставленной на его входе. Иными словами, для BCM с К = 1/32 емкость на его входе, равная 1 мкФ, эквивалентна 1024 мкФ на выходе. Это свойство обуславливается тем, что короткое время отклика позволяет значительно (в К2 раз) уменьшить количество запасаемой энергии для поддержания питания нагрузки. На рис. 2 и 3 представлен принцип работы SAC и переходные процессы на его выходе. Обращает на себя внимание то, что шкала времени на рис. 2б всего 200 нс на деление, и пульсации на нагрузке без подсоединения внешней емкости — не более 50 мВ, при этом время переходного процесса составляет всего ~1 мкс.
Выпускаются две разновидности SAC — VTM и BCM.
Отличие BCM от VTM в том, что VTM, в основном, предназначен и оптимизирован для работы совместно с модулем PRM. Такая пара представляет собой полнофункциональный DC/DC-конвертер. Для запуска VTM необходимо подать импульс на вывод PC, который формируется PRM, или нужно создавать дополнительную схему запуска. BCM используются для формирования промежуточной шины для питания последующих niPOL-преобразователей или непосредственно нагрузки.
Рис. 3. Переходные процессы на выходе SAC при изменении нагрузки с0 до 80 А:
а) без выходной емкости;
б) с емкостью на выходе 100 мкФ
Технические характеристики и номенклатура VTM и BCM, выпускаемых в настоящее время
Размеры и конструкции модулей УТМ и ВСМ такие же, как и у РИМ. Схематическое изображение модуля РИМ и обозначение его выводов показано на рис. 4.
Все УТМ (табл. 2-4) имеют входное напряжение 48 Вс диапазоном 26-55 В. Выпускаются модули, специфицированные для применения в военной технике, серии МУххх с температурой эксплуатации от -55 °С и соответствующие М1Ь-стандартам. Компания Уког освоила и продолжает расширять линейку модулей УТМ за счет выпуска модулей
Таблица 2. Основные входные и выходные параметры модулей VTM “Full-Chip”
VTM еа 1? 0 X S о X X э еа н э X о 0 0 «5 еа 1? 0 X S о X К ID еа >? ID X о 0 0 «5 < К- Температурный диапазон
V048F015T100 48 26-55 1,5 0,81-1,72 100 Т, M
V048F020T080 48 26-55 2 1,08-2,29 80 Т, M
V048F030T070 48 26-55 3 1,63-3,44 70 Т, M
V04BF040T050 48 26-55 4 2,17-4,58 50 Т, M
V048F060T040 48 26-55 ~6~ 3,25-6,88 40 Т, M
V04BF080T030 48 26-55 8 4,33-9,17 30 Т, M
V048F096T025 48 26-55 9,6 6,4-11 25 Т, M
V048F120T025 48 26-55 12 6,5-13,75 25 Т, M
V04BF160T015 48 26-55 “Ї6- 8,67-18,33 15 Т, M
V04BF240T012 48 26-55 24 14-26,5 12 Т, M
V04BF320T009 48 26-55 32 17,33-36,67 9 Т, M
V048F480T006 48 26-55 “4F 48-55 6 Т, M
«половинного размера» (“Half-Chip”) с габаритами и мощностью до 120 Вт серии VIV.
Высоковольтные BCM (табл. 5, 6) со входом 348 и 380 В созданы для работы совместно с корректором коэффициента мощности. Модуль VMB0004MFJ разработан и соответствует всем требованиям, предъявляемым для использования в военной технике с питанием от сети 270 В постоянного тока.
Описание выводов
Выводы +In/-In
На эти выводы должно подаваться входное напряжение в пределах, установленных в спецификации. Для VTM при напряжении ниже установленного или его кратковременном провале модуль выключается, и для его старта вновь необходимо подать импульс запуска длительностью не менее 10 мс, амплитудой 14 В на вывод VC. В BCM есть защита от пониженного напряжения. В VTM и BCM в случае превышения предела входного напряжения срабатывает соответствующая защита OVP, и модуль отключается.
VC — контрольный вход Через него осуществляется подача импульса питания для включения. Если VTM работает совместно с PRM, то подъем его выходного напряжения синхронизируется с подъемом Ивых PRM. Кроме этого, выход VC обеспечивает обратную связь на PRM по току нагрузки для компенсации падения напряжения на внутреннем сопротивлении, таким образом организуется адаптивная обратная связь.
PC — Primary Control
Вывод для дистанционного включения/отключения модуля управляется логическим сигналом. Отключение происходит при напряжении на входе менее 2,4 В. Управление можно осуществлять посредством оптопары, реле, транзистора с открытым коллектором. Выключенный модуль для повторного включения требует подачи импульса питания на VC. PC может служить и вспомогательным источником 5 В до 2,4 мА. При параллельном соединении модулей их выводы PC соединяют для обеспечения одновременного старта.
Рис. 5. Включение Р1^М и УТМ по схеме с адаптивной обратной связью: — напряжение на нагрузке; 1^, !0 — внутреннее сопротивление и ток УТМ
Таблица 3. Основные входные и выходные параметры модулей VTM половинного размера “Half-Chip''
VTM еа 1? 0 X S о X X э еа X ID X о 0 о еа 1? 0 X S о X X ID Диапазон Увых, В < Температурный диапазон
VIV0102THJ 48 26-55 1,5 0,81-1,72 50 Т, M
VIV0103THJ 48 26-55 2 1,08-2,29 40 Т, M
VIV0104THJ 48 26-55 4 2,17-4,58 25 Т, M
VIV0105THJ 48 26-55 6 3,25-6,88 20 Т, M
VIV0101THJ 48 26-55 12 6,5-13,75 10 Т, M
Таблица 5. Основные параметры модулей BCM
BCM В а н S о н X э В вх, э н о аз ап Ди В а н S о н к э В ых, э X о аз ап Ди Коэффициент передачи (К) Мощность, Вт
B048F015T14 48 38-55 1,5 1,19-1,71 1/32 135
B048F030T21 48 38-55 3,0 2,38-3,43 1/16 210
B048F040T20 48 38-55 4,0 3,17-4,58 1/12 200
B048F060T24 48 38-55 6,0 4,75-6,87 1/8 240
B048F080T24 48 38-55 8,0 6,33-9,16 1/6 240
B048F096T24 48 38-55 9,6 7,60-11,0 1/5 240
B048F120T30 48 38-55 12,0 9,50-13,8 1/4 300
B048F160T24 48 38-55 16,0 12,7-18,3 1/3 240
B048F240T30 48 38-53 24,0 19,0-26,5 1/2 300
B048F320T30 48 38-55 32,0 25,3-36,7 2/3 300
B048F480T30 48 38-55 48,0 38,0-55,0 1 300
Таблица 4. Входные и выходные параметры модулей VTM в Military-исполнении
VTM В 1? а н S о н X э В вх, э н о аз ап Ди В 1? а н S о н к э В ых, э X о аз ап Ди < к“ Температурный диапазон
MV036F011M100 36 26-50 1,1 0,82-1,55 100 М
MV036F015M080 36 26-50 1,5 1,1 —2,0 80 М
MV036F022M055 36 26-50 2,2 1,63-3,1 55 М
MV036F030M040 36 26-50 3 2,2-4,1 40 М
MV036F045M027 36 26-50 4,5 3,3-6,2 27 М
MV036F060M020 36 26-50 6 4,3-8,3 20 М
MV036F072M017 32 26-50 7,2 6,4-10,0 16,6 М
MV036F090M013 36 26-50 9 6,5-12,5 13,3 М
MV036F120M010 36 26-50 12 8,7-16,6 10 М
MV036F180M007 36 26-50 18 13,0-25,0 6,7 М
MV036F240M005 36 26-50 24 17,4-33,0 5 М
MV036F360M003 36 26-50 36 26-50,0 3,3 М
Таблица 6. Основные параметры модулей высоковольтных BCM
BCM Ubx (номинал), В Диапазон Ubx, В Диапазон Увых, В Мощность, Вт
B352F110T24 348 330-365 10,3-11,4 240
B352F110T30 348 330-365 10,3-11,4 300
B384F120T30 380 360-400 11,25-12,5 300
VIB0001TFJ 348 330-365 10,3-11,4 300
VIB0002TFJ 380 360-400 45,0-50,0 300
VIB0003TFJ 348 330-365 41,25-45,62 325
VMB0004MFJ* 270 240-330 30-41,25 235
Рис. 4. Схематическое изображение модуля УТМ и обозначение его выводов
352 Уіп 384 Уіп
270 Уіп
38-55 В
48 В (36-75) Уіп 48 В (38-55) Уіп
24 В (18-36) Уіп
ЗО В (16-50) Уіп
вад
всм
11 Моделей
7 Моделей
26-55 В
26-55 В
піРОЬ
нжв
УТМ
17 Моделей
26-50 В (МИ) 12 МИ Моделей
11 В
12 В
48 В
1,2-55 В
хВ
0,8-55 В
Рис. 6. Входные и выходные напряжения модулей РІ^М и ВСМ
При отключении УТМ по причине срабатывания защиты на РС появляются импульсы, сигнализирующие о возникновении неисправности.
Выводы +ОШ/—ОШ
УТМ и ВСМ имеют встроенную защиту от короткого замыкания, превышения предела тока на выходе и перегрева и не имеют внутренней защиты от включения входного напряжения в обратной полярности. Время срабатывания защиты от короткого замыкания составляет около 1 мкс.
Чтобы собрать полнофункциональный БС/БС-конвертер, модуль-стабилизатор РИМ соединяют с модулем-трансформатором УТМ. Напомним, что в УТМ отсутствует обратная связь с выхода, другими словами, напряжение на его выходе не стабилизировано. Но, благодаря уникальному свойству РИМ управлять своим выходным напряжением с учетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении УТМ, точность стабилизации
пары РИМ-УТМ достигает ±1%. На рис. 5 показана схема включения РИМ и УТМ с использованием адаптивной обратной связи. Адаптивная обратная связь активизируется за счет соединения выводов УС двух модулей.
Без этого соединения в РИМ действует локальная обратная связь, напряжение на его выходе учитывает только величину выходного тока. Точность стабилизации на УТМ при таком подключении составит ±4%. При таком со-
[источни^—
н
| Источни^
| Истачни^—
И
АС
РРС
| Источни^—
И
|источни^^—
□
| Истомин^—
и
-£
380В
РС
Нагрузка
Рис. 7. Примеры схем включения модулей У!СЫр:
а) стандартное включение РРМ и УТМ; б) РРМ с параллельным включением двух УТМ для увеличения выходного тока; в) 2 параллельных РРМ с УТМ для повышения выходной мощности до 300 Вт; г) массив из модулей; д) последовательное соединение до пяти УТМ; е) система питания нескольких нагрузок различными напряжениями; ж) высоковольтные ВСМ; источник с 4 выходами; з) высоковольтные ВСМ; источник 12 В, 100 А; и) ВСМ и несколько тРо!
единении каждый модуль фактически работает независимо друг от друга. Повысить точность стабилизации до ±0,2% можно путем введения обратной связи с нагрузки на PRM. Но для этого потребуются дополнительные элементы и необходимо обеспечить изоляцию в цепи обратной связи.
С помощью резистора ROS устанавливается значение выходного напряжения VTM; RCD компенсирует падение напряжения на выходном сопротивлении VTM и проводниках между PRM и VTM и VTM с нагрузкой.
К выводу SC можно подсоединить конденсатор, организуя таким образом «мягкий старт».
Описанные свойства и параметры VI Chip модулей PRM и VTM предоставляют в распоряжение разработчика множество возможностей для реализации источников питания и различных систем питания. На рис. 6 схематически показано, какими входными и выходными напряжениями можно оперировать при стандартном включении и использовании одиночных модулей.
VI Chip являются преобразователями с уникальными свойствами, благодаря которым можно создавать разнообразные системы питания. Технология и схемотехника, применяемая Vicor, предоставляет каждому подключенному модулю управление всеми своими ресурсами и позволяет очень гибко осуществлять взаимодействие между собой. Модули можно включать параллельно для увеличения мощности; к одному PRM подключать несколько VTM; к BCM несколько niPOL-конвертеров и так далее. На рис. 7 схематически показаны несколько примеров таких систем.
Вопросы электромагнитной совместимости, фильтрация помех. Рассмотрение тепловых режимов
При выборе и конструировании источника питания обязательно возникают вопросы по обеспечению теплового режима модулей и обеспечения норм ЭМС. Vicor не обходит стороной эти вопросы и предлагает свои решения.
Даже для лучших образцов DC/DC-конверторов обычно нужны дополнительные фильтры, если необходимо вписаться в пределы, задаваемые стандартом по электромагнитной совместимости EN55022, класс «В». Хотя в конвертерах Vicor преобразование энергии ведется в режиме переключения силовых транзисторов при нулевом токе, что значительно снижает уровень генерируемых помех, но в ряде случаев этого оказывается недостаточно. Не являются исключением и продукты VI Chip. Стандартным решением для борьбы с помехами является использование индуктивных и индуктивно-емкостных фильтров на входе конвертера. Но при этом разработчик должен самостоятельно рассчитывать параметры фильтра, грамотно сделать разводку, а элементы фильтра получаются достаточно крупных размеров.
Компания Picor — дочернее предприятие Vicor — разрабатывает и производит модули, активные фильтры серии QPI, специально оптимизированные для работы совместно с VI Chip. Применение активных фильтров дает возможность подавлять синфазные и дифференциальные помехи с эффективностью не менее 40 и 60 дБ соответственно, на частоте 1 МГц, что достаточно просто позволяет решить задачу соответствия нормам стандарта EN55022 (B). КПД модулей достигает 99%. На рис. 8, 9 приведены характеристики коэффициента подавления синфазных и дифференциальных помех при использовании фильтров QPI. Метод активной фильтрации позволяет значительно уменьшить размеры модулей и избавиться от резонансных явлений, свойственных пассивным LC-фильтрам.
В таблице 7 представлены основные параметры фильтров. Модули предназначены для SMD-монтажа.
Фильтры серии MQPI-18 разработаны для использования в военной технике и по ЭМС соответствуют стандарту MIL-461E. Еще одной важной задачей по обеспечению надежности функционирования источника питания и, соответственно, всего электронного
устройства, признана необходимость защиты самого источника от импульсных помех и перенапряжений, которые могут присутствовать в первичной цепи и вывести элементы преобразователя из строя или нарушить его функционирование. Такую функцию с большей надежностью позволяют обеспечить фильтры M-FIAM7.
Еще один вопрос, который практически всегда приходится решать при разработке источника питания, — это обеспечение нормального температурного режима. Благодаря высокочастотной резонансной технологии SAC КПД VI Chip преобразователей довольно высок и составляет 92-97%. Для простого расчета можно принять, что надо рассеять 5% на каждые 100 Вт мощности. Выделяемое тепло в VI Chip равномерно распределяется по корпусу модуля, часть его мо-
Таблица 7. Основные параметры модулей фильтрации QPI и M-FIAM7
ивх, В Диапазон Ubx, В Максимальный ток, А Температура эксплуатации, °С Габариты, мм
QPI-9LZ 24/28 18-38 6 -40...+ 100 25x25x4,5
QPI-10LZ 48/60 32-76 6 -40...+ 100 25x25x4,5
QPI-11LZ 24/28 5-50 7 -40...+ 100 25x12,5x4,5
QPI-12LZ 48/60 10-80 7 -40...+ 100 25x12,5x4,5
MQPI-18 28 10-80 7 -55...+ 100 25x12,5x4,5
M-FIAM7 28 14-50 10 -55...+ 100 58x56x12,7
Рис. 8. Частотная характеристика подавления помех фильтра QPI-12
Mkr1 15,08 МГц
Peak
Log
10
ДБ/
W1 S2 S3 FS АА
- -о líHiS В L ¡mil—
и .AiLÍihM <k
Start 150 кГц Res BW 9 кГц
VBW/ЗОкГц
Stop 30 МГц Sweep 881,3 мс (1515 pts)
Рис. 9. Спектр помех на входе ВСМ с фильтром ОРІ-12 (ломаная линия соответствует нормам стандарта EN 55022 (В))
Рис. 10. Пример зависимости допустимой мощности от окружающей температуры модуля ВСМ без радиатора
жет быть отведена через выводы на печатную плату, а часть снята с поверхности. Во многих случаях, например, при использовании модулей в режимах неполной мощности или невысокой окружающей температуры, можно обойтись без дополнительных радиаторов. На рис. 10 приведены графики зависимости допустимой мощности модулей от окружающей температуры (derating curves) без радиатора. Такая зависимость доступна для каждого типа модулей и с радиаторами.
Максимально допустимая температура элементов модуля — 135 °С, а температура его поверхности не должна быть более 100 °С. Для охлаждения модуля используют специально разработанные Vicor радиаторы с двумя размерами ребер (6,3 и 11 мм) и двумя ориентациями ребер: вдоль и поперек длин-
Рис. 11. Модуль VI Chip с радиатором
ной стороны модуля. К радиатору прикреплена теплопроводящая прокладка для созда-
ния хорошего термоконтакта; прижим к модулю и крепление к плате осуществляется подпружиненными винтами, как показано на рис. 11.
Заключение
VI Chip от компании Vicor — современный оригинальный продукт на рынке источников питания. Благодаря применению новейших достижений в области схемотехники и использованию современных технологий удалось создать продукты с уникальными электрическими и массо-габаритными параметрами. Применение VI Chip позволяет решать многие до настоящего времени трудновыполнимые задачи. Компания Vicor выпускает комплекты для разработки (evaluation boards) для всех своих продуктов. ■
