Dc dc преобразователь с гальванической развязкой: Изолированный или неизолированный DC/DC-преобразователь: что выбрать?

Содержание

Изолированный или неизолированный DC/DC-преобразователь: что выбрать?

6 Июл 2017

Авторы статьи

Владимир Рентюк [email protected] Владислав Филатов [email protected]

(Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №1 2017)

Скачать статью в формате PDF (294 КБ)


Что предпочтительнее — разработать, изготовить или купить уже готовое устройство, настроенное и испытанное, со всеми необходимыми сертификатами и гарантиями, применительно к узлам и компонентам радиоэлектронной аппаратуры (РЭА)? Эта тема неоднократно поднималась на страницах разных изданий, в том числе и в журналах редакции «Компоненты и Технологии». Применительно к DC/DC-преобразователям эта дилемма была рассмотрена автором настоящей статьи в [1]. Здесь преимущества варианта «купить» для большого числа конечных приложений с использованием импульсных источников питания были убедительно обоснованы. Однако «за бортом» остался вопрос: если купить, то что именно? Настоящая статья постарается восполнить этот пробел.

 

Взвесив еще раз все pro et contra касательно DC/DC-преобразователя и, как говорится, рассмотрев доводы сторон, мы пришли к однозначному выводу — выгоднее его купить. А чтобы купить именно то, что нам нужно, и не прогадать, нас должен, в первую очередь, интересовать определенный круг наиболее важных вопросов, большинство из которых весьма подробно рассмотрены в [2].

Хотя мелочей здесь нет, сведем проблему выбора DC/DC-преобразователя к нескольким понятным пунктам. Итак, что мы должны учесть:

  1. назначение изделия, для которого мы выбираем DC/DC-преобразователь, и перечень сопутствующих стандартов безопасности, электромагнитной совместимости вкупе с выполнением требований по защите окружающей среды;
  2. диапазон рабочих температур;
  3. необходимый диапазон входных напряжений;
  4. диапазон нагрузок по току;
  5. Необходимое номинальное выходное напряжение (напряжения) во всем диапазоне нагрузок и приемлемую точность его (их) поддержания, не забыв при этом учесть реакцию на изменение нагрузки (так называемый сброс/наброс), которая, из-за особенности петли регулирования конкретного типа преобразователя, может вызвать недопустимый для нашего конечного изделия переходной процесс;
  6. допустимую для нашего конечного решения площадь размещения преобразователя и максимальную высоту профиля, учитывая все необходимые для его конечной реализации элементы, т.е. рассматривать решение уже в виде законченного устройства;
  7. приемлемый уровень КПД во всем диапазоне нагрузок;
  8. надежность конечного решения DC/DC-преобразователя в реальных условиях эксплуатации;
  9. граничную цену конечного решения DC/DC-преобразователя и определение его поставщика.

 

Рис. 1. Пример топологии неизолированного DC/DC-преобразователя с двумя выходными напряжениями

Хотя сегодня на рынке предлагаются DC/DC-преобразователи, как говорится, на любой вкус, цвет и кошелек, для начала все сводится к основному вопросу: покупаем мы изолированный или неизолированный DC/DC-преобразователь. Чтобы ясно понимать, о чем идет речь, кратко поясним: изолированный преобразователь подразумевает, что его выход и вход не имеют гальванической связи и разделены изоляционным барьером с той или иной диэлектрический прочностью. Этот параметр указывает на устойчивость изоляционного барьера к приложенному между его входом и выходом напряжению, и, в большинстве случаев, определяет возможную область применения устройства. Соответственно, неизолированный преобразователь не обеспечивает гальванической развязки между его входом и выходом, и этот факт также является определяющим для областей его применения. Все изложенное — это глобальные различия, которые определяют схемотехнические решения, электрические характеристики и даже конструктивное исполнение преобразователей.

Понятно, что все это влияет на стоимость указанных типов DC/DC-преобразователей. Ответственному разработчику здесь необходимо пользоваться одним полезным правилом. Его любил повторять Бенджамин Франклин — великий американский политический деятель, чей портрет украшает купюру в $100, дипломат, энциклопедист, писатель, журналист, издатель и изобретатель. Для справки: это он ввел общепринятое теперь обозначение электрически заряженных состояний «+» и «−» и объяснил принцип действия лейденской банки, прародительницы всех современных конденсаторов, установив, что главную роль в ней играет диэлектрик, разделяющий ее токопроводящие обкладки. Он говорил: A penny saved is a penny gained

Сбереженный пенни — это заработанный пенни»), что очень хорошо описывает его отношение к оптимизации стоимости конечного продукта.

Давайте более пристально взглянем с этой позиции на различия преобразователей (что поможет нам впоследствии), взвесив еще раз все pro et contra, и остановимся на нужном нам конкретном решении преобразователя для конкретного конечного устройства. То есть, попробуем уйти от характерного для разработчиков искушения типа: «а давайте-ка поставим сюда вот это, оно мне нравится!». Знакомый веский аргумент, не так ли?

Если обратиться к ценовому аспекту, то в общем плане выигрывают неизолированные преобразователи, что связано с их природой. Однако это не касается корпусированных, полностью законченных решений с входными и выходными фильтрами, отвечающих жестким требованиям по электромагнитной совместимости и имеющих высокую механическую устойчивость. Здесь ценовые отличия в значительной степени нивелируются. Что касается топологии неизолированных преобразователей, то нам доступны повышающие, понижающие, повышающее-понижающие и инвертирующие топологии, которые уже стали классикой и описаны многократно. С некоторой доработкой, используя трансформатор, мы можем получить на базе неизолированных преобразователей решения с несколькими, чаще двумя, выходными напряжениями, причем, одно из таких напряжений будет изолированное, что дает целый ряд преимуществ, свойственных их изолированным собратьям. Пример такого, не часто встречающегося в технической литературе и на практике решения, приведен на рис. 1 [3].

Данная топология эффективна, но для относительно малых токов в дополнительной цепи. Автор статьи использовал ее на практике для формирования двух напряжений 3,3 В (3,5 А) и –12 В (0,250 мА) и использовал как часть системы питания ATX платы индустриального компьютера. Все это хорошо, но это не завершенное решение, которое можно купить в модульном исполнении. Самостоятельно же, как мы определили еще в начале статьи, делать что-либо преобразующее не выгодно — это и дорого, и долго, и результат не гарантирован, и нужно нанимать специалистов в этом вопросе, которых у нас нет. Стоит отметить, что в виде неизолированных преобразователей, как правило, доступны только простейшие варианты, часть которых направлены на эффективную замену линейных стабилизаторов.

Рис. 2. Примеры преобразования полярности с использованием изолированного DC/DC-преобразователя

Что касается неизолированных преобразователей, они являются приемлемыми и оправданными для построения систем распределенного питания PoL (Point-of-Load), то есть, тогда, когда нужно запитывать нагрузки в непосредственной близости их размещения, при небольших длинах шин промежуточного питания. Еще один из вариантов — это формирование питающих шин для плат небольших форм-факторов, где можно обойтись без разделения земель и, предпочтительно, нет гибридных решений, то есть, там, где нет сочетания аналоговых и цифровых каскадов.

А что нам могут дать изолированные DC/DC-преобразователи? Для рядового разработчика, не очень вникающего в суть такой «мелочи», как DC/DC-преобразователь (что потом может ему аукнуться уже на завершающей стадии проекта), тем более в модульном исполнении, — это такой «черный ящик» с выводами, который просто выполняет нужную функцию, как тот же конденсатор или транзистор. Основная его функция — это создание соответствующего изоляционного барьера и выдача напряжения нужной мощности. Однако тут не все так просто и явно. Действительно, если вопрос упирается только в изоляционный барьер, как, например, это показано на примере использования изделий известной компании TRACO Electronic в медицинском оборудовании в [4], или в случае, когда по причине значительной удаленности от основного источника питания требуется разделение земель, то здесь выбора нет, и все ясно. Более сложный вопрос касается, например, телекоммуникационного оборудования и систем с распределенным питанием при длинных промежуточных шинах, а также оборудования с каскадами смещенного типа.

Что нам могут предложить изолированные DC/DC-преобразователи? Как говорил Сергей Капица в увлекательной передаче нашей молодости «Очевидное–невероятное», — «Вопрос, конечно, интересный». Для его раскрытия обратимся к практическим примерам, приведенным в [5]. Дело в том, что изолированные преобразователи могут в ряде случаев с успехом заменить неизолированные, дав нам целый ряд преимуществ, часто весьма существенных, которые упростят проектирование конечного изделия.

Поскольку изолированный DC/DC-преобразователь имеет плавающий выход, так как он не привязан к общему проводу или, как мы часто говорим, к земле. Точно также можно считать, что имеет место и плавающий вход. Поэтому любой изолированный DC/DC-преобразователь может быть использован для того, чтобы инвертировать полярность напряжения шины питания. Если гальваническая развязка посредством изоляции не требуется, но имеется общая точка подключения, то любой выход может быть привязан к любому входу, а также к любому желаемому опорному напряжению. На рис. 2 [5] показаны две возможные конфигурации включения изолированных DC/DC-преобразователя для получения отрицательного напряжения на выходе из положительного напряжения на его входе, и наоборот. И если получить –15 В из +5 В можно и неизолированным DC/DC-преобразователем, то получить +5 В из –48 В уже не настолько и просто.

Рис. 3. Простой удвоитель напряжения

Существуют DC/DC-приложения, в которых гальваническая развязка через изоляцию не требуется, но требуется более высокое выходное напряжение, чем входное. В следующем примере, приведенном на рис. 3, показан удвоитель напряжения, выполненный на базе DC/DC-преобразователя, который продуцирует выходное напряжение, в два раза превышающее входное.

Преимущества здесь скрываются в, казалось бы, странном факте: если DC/DC-преобразователь рассчитан на мощность 15 Вт, то при выходном напряжении, равном 12 В, он обеспечит рабочий ток до 1,25 A. Тем не менее, это выходное напряжение находится выше входного напряжения 12 В. Поэтому на нагрузку подается напряжение 24 В с током 1,25 A, то есть мы имеем общую мощность 30 Вт.

Как известно, преимущество понижающих импульсных DC/DC-преобразователей над линейными заключается в том, они потребляют по входу меньший ток, чем тот, который отдают в нагрузку. Если нам необходимо максимально просто реализовать внутренние шины от промежуточной, причем с хорошим КПД и неизбежной развязкой по землям, то лучше приведенного на рис. 4 варианта найти сложно.

Рис. 4. Блок питания с тремя выходными напряжениями, использующий DC/DC-преобразователи (Внимание! Рисунок переделан под базу TRACO!)

И в заключение приведем еще один важный и полезный пример. Если вы имеете на плате «сборную солянку» из аналоговых и цифровых каскадов, которые, кроме того, имеют общую шину питания 5 В и землю (т.е., на первый взгляд, разделить это нельзя), то для аналоговых интегральных схем могут возникнуть проблемы, вызванные значительным уровнем высокочастотных помех от цепей, несущих цифровые сигналы. Это особенно заметно в измерительных, аудио- или видеоприложениях. Что касается общего заземления, то оно часто требуется там, где аналоговые и цифровые части схемы используют один и тот же общий источник сигнала. Это достаточно часто делает невозможным их полное гальваническое разделение.

На рис. 5 приведена, казалось бы, лишенная смысла схема, которая осуществляет преобразование входного напряжения 5 В в выходное, равное тем же 5 В, причем это зачем-то делает изолированный преобразователь в неизолированном включении. Причина, почему эта схема на самом деле имеет смысл, заключается в особенностях и технических характеристиках таких DC/DC-преобразователей. И она помогает решить проблему.

Рис. 5. Неизолированный преобразователь +5 В в +5 В постоянного тока для очистки шины +5 В

Суть решения заключается в том, что диапазон входного напряжения преобразователя составляет +5 В с некоторым уровнем неравномерности из флуктуаций и помех, а его выходное напряжение поддерживается на уровне 5 В ±0,8%, поэтому такой преобразователь будет очищать не только шумы и помехи, но и любые небольшие вариации напряжения по его входу, подавляя броски и переходные процессы, неизбежно возникающие в цифровых каскадах.

Подобная схема (рис. 5) использовалась автором в одном из серийных изделий специального назначения, в котором на одной предельно компактной печатной плате находились микроконтроллер с цифровыми каскадами, высокочувствительный усилитель и аналоговые фильтры высоких порядков. Решение показало очень высокую эффективность при работе с сигналами уровнем в доли милливольт.

Рис. 6. Рентгеновский снимок фрагмента импульсного стабилизатора известного бренда (изображение слева) и реплики этого продукта, выполненные его конкурентом (изображение справа)

И в завершение, если мы используем разделение по изоляции, например, на уровне требований для телекоммуникационной аппаратуры, то стоит ли гнаться и использовать DC/DC-преобразователи с очень высокой устойчивостью изоляционного барьера? Если вы не стеснены в средствах и заказчик спокойно воспринимает ваш полет фантазии, то это ваше право, можно даже заказать преобразователь с инкрустацией, и, поверьте, вам его изготовят и поставят. Только ответственному разработчику лучше все же пользоваться правилом Бенджамина Франклина.

Как уже было сказано в начале статьи, разработчикам предлагается множество DC/DC-преобразователей от большого числа изготовителей. Здесь нужно помнить, что скупой платит дважды, и для ответственных изделий не вестись на сомнительные предложения с низкими ценами. Если вы думает, что за одним и тем же наименованием скрывается одно и тоже решение, то глубоко ошибаетесь. Реплика известного бренда может иметь такой же только внешний вид и название. Наглядный пример приведен на рис. 6 [5].

Рис. 7. Серия TEL 8 изолированных 8-Вт DC/DC-преобразователей компании TRACO Electronic

Как мы смогли убедиться, DC/DC-преобразователи, имеющие одинаковые названия, могут иметь совершено разное конструктивное исполнение. Вот почему в начале статьи среди важнейших вопросов был упомянут поиск надежного поставщика. Так что лучше и спокойнее иметь дело с известными брендами, тогда вы с уверенностью за свои деньги получите именно то изделие, которое выполнит все ваши требования, и вам не придется краснеть ни перед заказчиком проекта, ни перед конечным потребителем разработанного вами изделия.

Одним из таких проверенным временем брендов является компания TRACO Electronic, которая в декабре 2016 г. выпустила на рынок линейку высококачественных преобразователей телекомовского направления TEL 8 мощностью 8 Вт [6], которые выпускаются под торговой маркой TRACO POWER (рис. 7).

Данные преобразователи отличаются не только высокими техническими характеристиками и малыми габаритами, но и высокой надежностью (не менее 1 млн. ч), диэлектрической прочностью изоляции (1800 В/1 с и 1500 В/60 с), высокой точностью установки номинального выходного напряжения (±2%) и его стабильностью (0,8% при изменении входного напряжения во всем диапазоне и 1% во всем диапазоне нагрузок — от нуля до максимальной), развитой защитой от перегрузок (150%) с самовосстановлением (hiccup), недопустимо низкого входного напряжения и электростатики на уровне требований стандарта EN 61000-4-2 (по воздуху ±8 кВ, контакт ±6 кВ). Преобразователи серии TEL 8 отвечают требованиям по электромагнитной совместимости и устойчивы к воздействию внешних помех с напряженностью поля до 10 В/м (стандарт EN 61000-4-3). Преобразователи выполнены в металлических алюминиевых корпусах и, что немаловажно, с уже встроенным фильтром подавления электромагнитных помех по нормам стандарта EN55022 Класс A. Диапазон рабочих температур преобразователей серии TEL 8 –40… +80 °C с максимальной температурой корпуса до +105 °C. Преобразователи могут использоваться в аппаратуре, работающей на высоте до 4 000 м над уровнем моря, имеют все необходимые сертификаты по безопасности и выполняют требования Директивы RoHS. Основные электрические параметры, позволяющие сделать предварительный выбор нужного преобразователя, приведены в табл. 1. Полные данные преобразователей серии TEL 8 компании TRACO Electronic и ссылки для получения сертификатов доступны непосредственно в их спецификации [6].

Таблица 1

Литература

  1. Рентюк В. Изолированный DC/DC-преобразователь малой мощности: сделать или купить? // Электрик. 2012. № 12.
  2. Рентюк В. Новые возможности современных DC/DC-преобразователей: особенности принятия решения по выбору и типовые применения // Электрик. 2015. № 7–9.
  3. Designing Low-cost, Multiple Output DC-DC Converters. APPLICATION NOTE, Würth Elektronik eiSos 2013-09-10.
  4. Рентюк В., Филатов В. Источники питания с высоким пробивным напряжением по изоляции. Безопасность превыше всего // Компоненты и технологии. 2016. № 3.
  5. Steve Roberts. DC/DC BOOK OF KNOWLEDGE: Practical tips for the User. Second Edition, 2015.
  1. DC/DC Converter TEL 8 Series, 8 Watt Rev. December 21. 2016. http://assets.tracopower.com/20170126153146/TEL8/documents/tel8-datasheet.pdf
DC/DC-преобразователь

Миниатюрное решение для изолированного DC/DC-преобразователя

21 октября 2013

При построении любого типа промышленных интерфейсов одним из вопросов, решаемых разработчиками, является вопрос о необходимости применения гальванической развязки. И в большинстве случаев ответ на данный вопрос зависит от необходимости решения таких задач, как повышение электробезопасности, уменьшение влияния синфазных помех, защита от высоковольтных воздействий, реализация разрыва «земляной» петли и т.п. Следующий вопрос, который приходиться решать после того, как выяснена необходимость реализации гальванической развязки и выбраны элементы для реализации изолированного интерфейса — как обеспечить питание сигнальной линии. На сегодняшний день для реализации изолированных DC/DC-преобразователей существует множество решений, но, в большинстве своем, для построения изолированного интерфейса необходимо бюджетное малогабаритное решение. Для такого применения Texas Instruments предлагает драйверы SN6501 и TPS55010. По применению микросхемы условно можно разделить по мощности нагрузки: SN6501 предназначена для мощностей менее 0,5 Вт, а TPS55010 — для мощностей менее 2 Вт. Отличия в выходной мощности определяются корпусом и внутренней схемой, так SN6501 выполнена по схеме двухтактного преобразователя в корпусе SOT23, а TPS55010 представляет собой драйвер трансформатора для реализации Flybuck-архитектуры и выполнена в 16-выводном QFN-корпусе (3х3 мм).

Общие сведения об SN6501

SN6501 — это драйвер трансформатора, разработанный для бюджетных малогабаритных изолированных DС/DC-преобразователей и реализующий двухтактную схему управления. Данный драйвер выполнен в корпусе SOT23-5. В состав микросхемы входят тактовый генератор, схема управления транзисторами и два N-канальных МОП-транзистора. Схема управления транзисторами включает частотный делитель и логическую схему, которая обеспечивает выходные комплементарные сигналы без перекрытия временных интервалов (рисунок 1).

 

Рис. 1. Блок-схема и временные диаграммы выходных сигналов SN6501

Выходная частота генератора подается на асинхронный делитель, который обеспечивает два комплиментарных выходных сигнала S и /S пониженной частоты со скважностью 50%. Последующая логика добавляет «мертвую зону» между высокими уровнями двух сигналов. Полученные в результате сигналы G1 и G2 представляют собой сигналы управления затворами выходных транзисторов Q1 и Q2. Как показано на рисунке 2, перед тем, как на любой из затворов подается управляющий сигнал (G1, G2) с уровнем логической единицы, в него добавляется короткий интервал, на протяжении которого оба сигнала находятся в «низком» состоянии, а оба транзистора, соответственно, в высокоимпедансном. Этот короткий период необходим для предотвращения замыкания между выводами первичной обмотки и обеспечивает режим работы без перекрытия временных интервалов.

 

Рис. 2. Форма выходных сигналов

Общие сведения о TPS55010

TPS55010 представляет собой драйвер трансформатора, предназначенный для работы по оригинальной Flybuck-топологии. Микросхема выполнена в малогабаритном корпусе QFN c термопадом. Внутренняя схема включает в себя регулируемый генератор (0,100…2 МГц), с возможностью синхронизации от внешнего сигнала, схему ШИМ, полумост, температурную защиту, защиту по напряжению (рисунок 3). Для установки выходного напряжения используется встроенный полумост с токовым управлением. Также в схеме предусмотрена возможность плавного запуска, что обеспечивается подсоединением конденсатора к выводу SS.

 

Рис. 3. Структурная схема TPS55010

При включении TPS55010 по топологии Flybuck трансформатор подключается так же, как в обратноходовом преобразователе, в то время как соотношение между входным и выходным напряжением определяется как у обычного понижающего трансформатора/преобразователя. Т.е выходное напряжение определяется напряжением первичной цепи, и нет необходимости в использовании дополнительной опторазвязки (рисунок 4). Высокая эффективность преобразователя (более 80%) определяется использованием встроенных MOSFET-транзисторов для реализации полумоста.

 

Рис. 4. Типовая схема включения TPS55010

С целью упрощения разработки для совместной работы с микросхемой TPS55010 доступны готовые трансформаторы, выпускаемые фирмой Wurth (#750311880 с коэффициентом трансформации 1:2,5 и гальванической развязкой 2,5 кВ, #750311780 с коэффициентом трансформации 1:8, биполярным выходом и гальванической развязкой 2 кВ).

Далее более подробно рассмотрим принцип работы двухтактного преобразователя, использующегося в SN6501, и особенности выбора компонентов.

Принцип работы двухтактного преобразователя

Одним из способов передачи напряжения с первичной во вторичную цепь в DC/DC-преобразователях является использование двухтактного преобразователя совместно с трансформатором с выводом от средней точки.

Принцип работы двухтактного преобразователя проиллюстрирован на рисунке 5. В первой фазе, когда Q1 замкнут, напряжение VIN создает условие для прохождения тока через нижнюю часть первичной обмотки, тем самым создавая негативное напряжение относительно средней точки. В тоже время, на верхней половине первичной обмотки напряжение положительно относительно средней точки и удерживает предыдущее значение тока через Q2, который в текущем состоянии разомкнут. Таким образом, два источника напряжения, каждый из которых имеет напряжение VIN, включены последовательно и создают потенциал, равный 2 VIN относительно земли. Напряжение той же полярности, что в первичной обмотке, будет и во вторичной. Следовательно, диод CR1 будет смещен в прямом направлении положительным потенциалом верхней части вторичной обмотки. Ток вторичной обмотки будет протекать через диод CR1, заряжать конденсатор и возвращаться на заземленную среднюю точку через нагрузку RL.

 

Рис. 5. Фазы переключения двухтактного преобразователя

Во второй фазе (рисунок 5), когда Q2 замкнут, Q1 переключается в высокоимпедансное состояние, и полярность напряжений в первичной и вторичной обмотках меняется. В данном случае нижний конец первичной обмотки находится под потенциалом 2 VIN относительно земли. Теперь CR2 смещен в прямом направлении, тогда как CR1 обратно смещен, и ток протекает с нижнего конца вторичной обмотки, заряжая емкость через диод CR2, и возвращается через нагрузку к центральному выводу.

Эффект намагничивания сердечника

Для уменьшения потерь источника питания в магнитном материале необходимо учитывать эффект намагничивания сердечника. На рисунке 6 показана кривая идеального намагничивания для двухтактного преобразователя, где B — плотность магнитного потока, а H — сила магнитного поля. Когда Q1 находится в проводящем состоянии, магнитный поток меняется от А к А’, а когда Q2 замыкается — поток возвращается обратно от А’ к А. Разница в потоке, а, соответственно, и плотность, пропорциональны произведению напряжения первичной обмотки VP на время tON, в течение которого оно было приложено: B » Vґ tON.

 

Рис. 6. Кривая намагничивания сердечника и эффект саморегуляции положительным температурным коэффициентом «RDS-on»

Данное произведение важно, так как определяет намагниченность сердечника во время каждого цикла переключения. Если произведение напряжения и времени для двух фаз работы преобразователя не является идентичным, то несимметричность плотности потока приведет к смещению B-H-кривой относительно изначального положения. Если баланс не восстановить, то смещение будет увеличиваться с каждым последующим циклом, и постепенно трансформатор перейдет в область насыщения.

 

Однако, благодаря положительному температурному коэффициенту сопротивления канала МОП-транзистора, выходной транзистор SN6501 саморегулирует разбаланс «V ґ t». В случае большего времени ton протекающий ток постепенно нагревает транзистор, что ведет к увеличению RDSon. Большее сопротивление приводит к увеличению VDS. А так как напряжение первичной обмотки является разницей между постоянным входным напряжением VIN и падением напряжения на МОП-транзисторе, V= VIN — VDS, напряжение VP,постепенно уменьшается, тем самым восстанавливая баланс.

Рекомендации по разработке DC/DC-преобразователя

Ниже приведены рекомендации по выбору компонентов для разработки эффективного двухтактного преобразователя с высокой токовой нагрузкой.

Следует отметить, что, в противоположность популярному убеждению, выходное напряжение (VOUT) нерегулируемого преобразователя значительно уменьшается при большом изменении тока нагрузки. Разница между VOUT при минимальной нагрузке и VOUT при максимальной нагрузке может превышать диапазон напряжения питания подключаемых микросхем. Поэтому для обеспечения стабильного, не зависящего от нагрузки, питания при сохранении максимально возможной эффективности рекомендуется совместно с двухтактным преобразователем использовать линейный регулятор с малым падением напряжения. Примеры схем преобразователя показаны на рисунках 8-13.

Рис. 8. Изолированный RS-485-интерфейс с питанием линии на SN6501

Рис. 9. Изолированный RS-485-интерфейс с питанием линии, реализованным на базе TPS55010

Рис. 10. Изолированный RS-232-интерфейс

Рис. 11. Изолированный цифровой интерфейс

Рис. 12. Система измерения температуры с изолированным SPI-интерфейсом

Рис. 13. Изолированный I2C-интерфейс для реализации системы сбора информации с 4 входами и 4 выходами

Выбор линейного LDO-регулятора

При выборе линейного регулятора напряжения необходимо учитывать следующие требования:

  • Токовая нагрузочная способность регулятора должна немного превышать специфицированный ток нагрузки в изделии. Как пример- для тока нагрузки 100мА необходимо выбирать регулятор с токовой способностью 100…150мА. Хотя регулятор с большими токами также возможно использовать, однако это приведет к меньшей эффективности, так как обычно такие регуляторы имеют большее падение напряжения.

  • Для получения максимальной эффективности внутреннее падение напряжения регулятора (VDO) на рабочем токе нагрузки должно быть минимальным. Для бюджетных 150мА-регуляторов оно обычно равно ~150мВ на 100мА. При этом следует обратить внимание на то, для каких условий дано это значение, поскольку такое низкое значение, как правило, специфицируется при комнатной температуре и может увеличиваться в несколько раз при изменении температуры, что, в свою очередь, увеличивает требования к входному напряжению.

Минимальное входное напряжение, достаточное для поддержания работоспособности регулятора, определяется следующим образом: VImin = VDOmax + VOUTmax. То есть, чтобы определить требуемое в худшем случае VI, мы должны взять максимальные значения VDO и VOUT, специфицированные для данного регулятора на заданном токе и сложить их вместе. Также следует убедиться, что выходное напряжение выпрямителя на заданную токовую нагрузку равняется или превышает VImin. В противном случае любое изменение на входе регулятора будет передаваться без изменений на выход, так как регулятор не сможет обеспечить стабилизацию и будет вести себя как обычный проводник.

Максимальное входное напряжение регулятора должно быть больше, чем напряжение на выходе выпрямителя без нагрузки. При соблюдении данного условия нет отражения тока в первичную обмотку, таким образом, нивелируется влияние падения напряжения на RDSon и достигается максимальное напряжение на первичной обмотке. Тем самым достигается максимальное напряжение на вторичной обмотке: VSmax = VINmax ґ n, где VINmax — максимальное входное напряжение преобразователя, а n — коэффициент трансформации. Таким образом, чтобы предотвратить возможное повреждение регулятора, его максимальное входное напряжение должно быть выше VSmax. В таблице 1 показаны максимальные значения напряжения вторичной обмотки при различных коэффициентах трансформации, широко используемых в двухтактных преобразователях с выходным током 100 мА.

Таблица 1. Требуемые максимальные значения входных напряжений LDO для различных конфигураций двухтактного преобразователя

Двухтактный преобразователь LDO
Конфигурация VINmax Коэффициент
трансформации
VSmax, В VImax, В
3,3 В VIN/3,3 В VOUT 3,6 1,5 ±3% 5,6 6…10
3,3 В VIN/5 В VOUT 3,6 2,2 ±3% 8,2 10
5 В VIN/5 В VOUT 5,5 1,5 ±3% 8,5 10

Выбор выпрямительного диода

Для обеспечения максимально возможного напряжения на выходе преобразователя, выпрямительный диод должен обладать малым прямым падением напряжения. Также, когда диод используется в режиме переключения с высокой частотой, например, для SN6501 — с частотой 450 кГц, он должен обеспечивать быстрое время восстановления. Диоды Шоттки обладают обоими этими свойствами, поэтому рекомендуется использовать их в устройствах двухтактного преобразователя. Примером такого диода может быть MBR0520L либо STP0520Z с типовым падением 300 мВ при токе 100 мА. Для больших выходных напряжений, таких как ±10 В и выше, подойдет MBR0530, обеспечивающий работу при напряжениях 30 В.

Выбор конденсатора

В представленных ниже схемах (рисунки 8…13), все емкости являются конденсаторами с многослойной керамикой (MLCC). В качестве развязывающего конденсатора по питанию используется емкость в диапазоне 10…100 нФ. Входной сглаживающий конденсатор, присоединенный к центральному выводу первичной обмотки, поддерживает в ней рабочие токи во время переключения. Для обеспечения минимальных выбросов этот конденсатор должен быть номиналом 10…22 мкФ. При двухсторонней разводке печатной платы со специально предусмотренной земляной шиной этот конденсатор должен располагаться рядом с центральным выводом обмотки, что обеспечит минимальную индуктивность проводника. При четырехслойной печатной плате с отдельными слоями «земли» и VIN, конденсатор может быть установлен в точке подачи питания на плату. В этом случае, чтобы обеспечить минимальную индуктивность проводника при подключении конденсатора к слоям питания, необходимо использовать как минимум два параллельных переходных отверстия в каждой точке перехода.

Сглаживающий конденсатор на выходе выпрямителя обеспечивает минимальные выбросы выходного напряжения. Величина данного конденсатора должна быть порядка 10…22 мкФ. Конденсатор на входе регулятора является необязательным, хотя, исходя из практики аналоговых схем, использование малого номинала ~47…100 нФ позволяет улучшить подавление шумов и стабильность работы схемы при переходных процессах.

Выбор конденсатора на выходе регулятора зависит от требований к стабильности регулятора при заданной нагрузке. Данный конденсатор стабилизирует внутреннюю цепь управления и указывается в паспорте микросхемы. В большинстве случаев будет достаточным применение керамического конденсатора емкостью 4,7…10 мкФ с малым эффективным сопротивлением. Так для семейства TPS763xx достаточно использовать конденсатор 4,7 мкФ.

Выбор трансформатора

Одним из критериев выбора трансформатора изолированного DC/DC-преобразователя является произведение Vt. Правильно выбранная величина данного параметра позволит предотвратить насыщение катушки трансформатора. Для этого произведение Vt трансформатора должно быть больше, чем максимальное произведение Vt, прилагаемое драйвером. Максимальное напряжение, выдаваемое SN6501, это номинальное напряжение входа +10%. Максимальное время, в течение которого данное напряжение прикладывается к первичной обмотке драйвером SN6501- это полупериод минимально возможной частоты при заданном входном напряжении. Таким образом, минимальные требования к произведению Vt трансформатора определяются следующим соотношением:

,

Применительно к использованию драйвера SN6501, получаем:

для напряжения питания 3,3 В и

для напряжения питания 5 В.

Для большинства маломощных трансформаторов с выводом средней точки значения параметра Vt находятся в диапазоне 22…150В мкс при типовых размерах 10х12мм. В то же время трансформаторы, разработанные специально для PCMCIA, обеспечивают наименьшие значения 11В мкс и поставляются в значительно уменьшенном размере 6х6мм.

Несмотря на то, что большинство доступных трансформаторов удовлетворяют требованиям к Vt и могут использоваться совместно с SN6501, перед окончательным выбором трансформатора в разрабатываемый источник следует также учесть другие важные параметры, такие как напряжение изоляции, мощность трансформатора, коэффициент трансформации.

В зависимости от требований изделия к величине гальванической развязки выбирается трансформатор, обеспечивающий необходимую изоляцию в диапазоне 0,5…6 кВ.

Также трансформатор должен обладать коэффициентом трансформации, который позволит разрабатываемому преобразователю работать при необходимых токах нагрузки и во всем диапазоне температур.

Минимальный коэффициент трансформации определяется отношением минимального напряжения во вторичной обмотке к минимальному напряжению в первичной обмотке, умноженному на корректирующий коэффициент, который учитывает эффективность трансформатора:

Значение VSmin (рисунок 7) должно быть таким, чтобы при максимальном падении на диоде VFmax обеспечить достаточное напряжение на входе регулятора для его дальнейшей работы.

 

 

Рис. 7. Схема к расчету минимального коэффициента трансформации

Используя данные из предыдущего раздела для вычисления минимального входного напряжения регулятора и добавляя к этому значению VFmax, получаем минимально необходимое напряжение вторичной обмотки.

Для расчета минимального напряжения в первичной обмотке VPmin необходимо вычесть максимально возможное напряжение «сток-исток» транзисторного ключа VDSmax, из минимально возможного напряжения на центральном выводе VINmin. В то же время следует учесть, что VDSmax является произведением максимального значения RDSon и ID для заданного напряжения питания.

Таким образом, получаем:

Используя выражения для VPmin и VSmin, получаем выражение для расчета минимального коэффициента трансформации:

Как пример расчета минимального коэффициента трансформации возьмем схему преобразователя с входным напряжением VIN = 3,3 В и выходным напряжением VOUT = 5 В. В качестве остальных элементов схемы выберем выпрямительный диод MBR0520L и линейный стабилизатор TPS76350. Из спецификаций на устройства для нагрузки 100 мА и температуры 85С° получаем следующие значения: VFmax = 0,2 В, VDOmax = 0,2 В, VOUTmax = 5,175 В. Так как напряжения питания SN6501 — 3,3 В, получаем VINmin = 3,234 В, также из спецификации на SN6501 берем значения RDSmax = 3 Ом и IDmax = 150 мА. Подставляя вышеперечисленные данные в формулу для коэффициента трансформации, получаем минимальное значение:

Большинство доступных коммерческих трансформаторов для двухтактных преобразователей из 3…5 В имеют коэффициент трансформации 2,0…2,3, с точностью ±3%

Примеры готовых трансформаторов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Трансформаторы для использования с SN6501

Коэффициент
трансформации
T, Вмкс Гальваническая
развязка, В (rms)
Применение, В Использование LDO Наименование
1…1,3 11 2500 5…5; 3,3…3,3 Да 760390014
1…1,5 34,4 2500 5…5; 3,3…3,3 Да DA2303-AL
1…2,2 21,5 2500 3,3…5 Да DA2304-AL

Примеры готовых решений

На рисунках 8…13 приведены схемы применения SN6501 и TPS55010 для реализации изолированных интерфейсов в системах с напряжением питания 3,3 В. Для систем с 5 В-питанием необходимо будет только изменить коэффициент трансформации и подобрать нужный регулятор там, где это требуется.

Примеры реализации изолированных интерфейсов RS-485 для коммуникации с контроллером MSP430, построенных на базе трансиверов ISO3082/88, показаны на рисунках 8 и 9. Более подробную информацию о трансиверах для реализации промышленных интерфейсов вы найдете в отдельной статье номера.

На рисунках 10…13 показаны примеры реализации коммуникации с контроллерами MSP430 при помощи микросхем цифровых изоляторов ISO7242, ISO7641, ISO1541.

В приведенных примерах для стабилизации изолированного выходного напряжения 5 В используются различные типы линейных регуляторов TPS76350, LP2985-50, LP2981-50, принципы выбора которых описаны в статье ранее. Следует также отметить использование источников прецизионного опорного напряжения REF5025 и REF5040 (рисунки 12, 13), использование которых совместно с ЦАП/АЦП позволяет разрабатывать высокоточные системы измерения.

Выводы

Использование компактных драйверов SN6501(SOT23-5) и TPS55010 (QFN16) совместно с доступными низкопрофильными трансформаторами позволяет реализовать простое малогабаритное решение гальванически развязанного источника питания. Такое решение успешно используется для обеспечения питания различного типа промышленных интерфейсов (CAN, RS-485, SPI и т.д.). Для обеспечения быстрой разработки гальванически развязанных интерфейсов и проверки функциональности данного решения Texas Instruments предоставляет как образцы самих драйверов, так и типовые проекты и отладочные платы.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: [email protected]

•••

Наши информационные каналы

Мелкие преобразователи напряжения мощностью до 50 Ватт с гальванической развязкой

Не так давно получил я очередную посылочку с Тао и потихоньку начинаю публиковать обзоры товаров, которые пришли в ней. Начну с мелких плат преобразователей, тем более меня про них спрашивали.
В данном обзоре речь пойдет о платах со входным напряжением 36-75 Вольт и мощностью до 50 Ватт.

Я относительно недавно выкладывал обзор трех плат преобразователей с теми же входными параметрами — 36-75 Вольт, т.н. называемое дистрибьюторское питание. Это когда есть очень мощный блок питания, часто в 48-60 Вольт, а все вторичные напряжения получаются уже от него при помощи мелких преобразователей. Также подобные напряжения используются в разном электротранспорте.
В тот раз были мощные модели, позволяющие работать при мощностях порядка 200-300 Ватт, здесь же более простой вариант, всего до 50 Ватт. Но кстати, те решения были дешевле, но при заказе с Тао, из-за большего веса они скорее всего вышли бы примерно столько же.

Конечно предвижу вопрос, а вот мы видели обзоры плат преобразователей в несколько раз дешевле, на примерно 25-50 Ватт, почему здесь так дорого?
Все просто, данные платы имеют гальваническую развязку и по сути представляют из себя мелкие блоки питания, но на более низкой входное напряжение. Из-за наличия гальванической развязки их выходы можно без проблем соединять последовательно для получения других напряжений или двухполярного питания. Но на мой взгляд самое важное то, что шанс выхода из строя при выгорании платы здесь примерно на пару порядков ниже чем при использовании обычных DC-DC Stepdown, а согласитесь, это все таки стоит своих денег.

Преобразователей я заказывал много и разных, но сегодня пойдет речь о двух, купленных у одного продавца. Вообще у него было три варианта:
3.3 Вольта 15 Ампер
5 Вольт 10 Ампер
12 Вольт 4.1 Ампера

3.3 Вольта с таким током я даже не знаю куда применить в хозяйстве, а вот 5 и 12 куда ближе к обычному потребителю и заказал я именно эту парочку. Разделяются в магазине они цветом соответственно списку выше- Синий, Зеленый, Красный. Впрочем они даже внешне имеют почти те же цвета, хотя как по мне, то 12 Вольт плата больше желтая, чем красная.

Упаковано от посредника было в привычный пакет, сам преобразователи воткнули в кусочек вспененного полиэтилена.
Первое что думаешь, когда их видишь — какие они мелкие, размер примерно 0.5 от стандартного спичечного коробка.

Произведены платы компанией ROAL Electronics, 12 Вольт модуль имеет маркировку — mod 223E, а 5 Вольт — mod 223.
Фирма такая действительно существует, занимается различными интересными, но узкоспециализированными блоками питания, а также… светодиодными драйверами. К сожалению мне не удалось найти даташит на данную серию модулей, да впрочем и на другие серии с описанием также проблемы.
Год выпуска предположительно 2007 и 2004.

Отличия между платами минимальны и заметны в основном только сверху, да и то, только во вторичной части. Причем отличия между моделями на 3.3 и 5 Вольт вообще сведены почти к нулю, но этого модуля у меня нет.

Даже весят они почти одинаково и не очень много, что критично для заказов с ТаоБао.

Несколько фото с разных ракурсов. Видны мелкие вспомогательные трансформаторы.

Силовые клеммы, расположенные со стороны выхода, имеют заметно больший диаметр, а сами преобразователи рассчитаны на установку в специальные панели для оперативной замены.

Как и в прошлый раз применен планарный трансформатор, обмотки которого сформированы при помощи многослойной печатной платы, я о них немного подробнее рассказывал в предыдущем обзоре.

Что любопытно, хоть модули и имеют гальваническую развязку, но привычного оптрона обратной связи у них нет, зато есть два трансформатора и могу предположить, что все управление идет от вторичной стороны через них. У каждого трансформатора по 6 выводов, на вид полностью идентичны.

На вид платы выглядят немного потертыми, также на фланцах силовых транзисторов есть некие небольшие окислы, возможно лежали хоть и в упаковках, но на открытом воздухе.
1. Первичная и вторичная стороны 12 Вольт платы
2. Тоже, но 5 Вольт.

Ну не буду тянуть, перейду к тестам. Как и в прошлый раз платы имеют контакт управления, для запуска надо соединить его с минусовым контактом входа, т.е. запуск платы производится активным нулем, напряжение на этом контакте около 8 Вольт.

И как с большими платами видим ту же проблему, или «особенность», большой ток потребления без нагрузки.

Плата 12 Вольт. Вверху ток потребления в «спящем» режиме, внизу с активным выходом, входное напряжение соответственно 36 и 62 Вольта.
Если в дежурном режиме еще все более-менее неплохо, то 1.5-1.8 Ватта в рабочем, как-то многовато.

Следующие тесты проходили с мощным блоком питания, осциллографом и электронной нагрузкой, мультиметр я решил в этот раз не использовать. Платка на фоне всего этого смотрится совсем микроскопической. 🙂

Стартует преобразователь при напряжении 33 Вольта, без нагрузки отключается при снижении до 30 Вольт. Рабочий лиапазон заявлен от 36 Вольт, но при 33 способен тянуть полную нагрузку, но примерно после 60% начинает немного снижаться напряжение.
На фото видно, что после запуска заметно шумит по выходу и это явно не мой блок питания, потому как до запуска все тихо.

Нагрузочная характеристика при входном напряжении 36 Вольт.

То же самое при входном 62 Вольта, напряжение держит идеально, при токе нагрузки 100мА выходное 11.878 Вольта, при 4.5 Ампера (перегрузка 10%) 11.85 В.

А вот с пульсациями по выходу картина заметно хуже, все показанные далее осциллограммы снимались в трех точках — без нагрузки, 33%, 66%, 100% нагрузки. У осциллографа было включено ограничение полосы 20 МГц, щуп в положении 1:10 и включена соответствующая коррекция.
Входное 36 Вольт, на последнем скриншоте мне даже пришлось увеличить В/дел, иначе осциллограмма просто не влазила на экран.
Итого:
Без нагрузки — 450мВ р-р
33% — 900мВ р-р
66% — 1.4 В р-р
100% — 1.5 В р-р

При входном 62 Вольта ситуация немного лучше, все скриншоты сделаны в режиме 200мВ/дел.

Нагрев, вот здесь картина более интересна. Дело в том, что на странице магазина указано что без охлаждения максимум 15 Ватт и сделан очень тонкий намек — есть модули которые просто имеют ту же мощность, предположу что подтекстом идет — купите модули, которые дешевле и которые дадут те же 15 Ватт и которых скорее всего у продавца больше 🙂

Тест проходил на уже разогретом модуле, после части тестов. Сначала нагрузил на 15 Ватт, потом подождал минут 10 и проверил температуру еще раз, максимум 60 градусов.

Ладно думаю, а если больше?
Нагрузил на 25 Ватт, через 8 минут 72 градуса, мне это понравилось и я поднял мощность нагрузки до 35 Ватт, вот здесь он и начал нагреваться уже заметно, до 97 градусов. Но все это без дополнительного охлаждения.

А что же с КПД, сначала в виде простенькой таблички по четырем ключевым точкам — 25, 50, 75 и 100% нагрузки:
36 Вольт входное
25% — 88,6%
50% — 91,6%
75% — 91,3%
100% — 90,0%

62 Вольта входное
25% — 86,5%
50% — 89,8%
75% — 90,1%
100% — 89,1%

Видно что при низком входном КПД чуть выше. Ну и несколько фото в крайних ключевых точках.

Плата 5 Вольт. Все тесты идентичны предыдущим только с поправкой на ток нагрузки.
Потребление при разном входном напряжении в дежурном режиме и рабочем без нагрузки.

Стабильность выходного напряжения просто отличная что при 36 Вольт входного, что при 62.

Пульсации, здесь я потихоньку привыкаю к новому осциллографу и надеюсь что так осциллограмма смотрится более понятно.
Но вот сами пульсации конечно большие, и составляют.
Для 36 Вольт входного:
Без нагрузки — 800мВ р-р
33% — 850мВ р-р
66% — 1.2 В р-р
100% — 1.4 В р-р

При 62 Вольта входного картина стала еще хуже, хотя у предыдущего преобразователя было все наоборот. Первые три скриншота 200мВ/дел, четвертый 500мВ/дел.

Входное напряжение в тесте было 48 Вольт.
При нагрузке мощностью 15 Ватт (ток 3 Ампера) температура те же 60 градусов.

А при мощности 25 Ватт и 35 выше на пару градусов чем у 12 Вольт версии.

И конечно измерение КПД.
36 Вольт входное
25% — 89,3%
50% — 91,3%
75% — 90,7%
100% — 89,2%

62 Вольта входное
25% — 87,8%
50% — 90,4%
75% — 89,5%
100% — 88,6%

В среднем примерно одно и то же, чуть лучше в одном режиме, чуть хуже в другом, но обратите внимание, в диапазоне нагрузок 2.5-10 Ампер и диапазоне входного 36-62 Вольта выходное напряжение стоит как вкопанное.

И как тут без группового фото в сравнении с более мощными «собратьями» 🙂

А это блок питания, предназначенный питать такие и подобные модули, мощность до 2000 Ватт, напряжение 48 Вольт. Отдельное спасибо одному из моих постоянных читателей за такой подарок 🙂

Что же написать в выводах. Для начала оба преобразователя работают, уже хорошо. При этом они обеспечивают без дополнительного охлаждения до 25 Ватт, а при небольшом обдуве до 35 Ватт, полную мощность длительно можно снимать уже при нормальном охлаждении. Кратковременно легко отдают свои 50 Ватт с очень хорошей стабильностью выходного напряжения при входном от 36 до 62 Вольта точно.
Единственное нарекание — пульсации напряжения на выходе, они реально большие и использовать без дополнительного LC фильтра по выходу я бы не стал, по крайней мере для более-менее чувствительных нагрузок.
Преимущество подобных преобразователей в полной гальванической развязке и более высокой безопасности для нагрузки, которую они питают.

В остальном весьма полезная штучка, если покупать на Тао, то выгодно либо докидывать к какому-то заказу, либо покупать сразу много, тогда цена получится очень даже неплохой, благо весят они очень мало, на килограмм получается около 70 штук, а значит даже при доставке $20 за кг получается $4.5 за штучку.

импульсный стабилизатор, преобразователь, 3-х фазный выпрямитель, гальваническая развязка Vicor

В настоящее время программа поставок Vicor содержит тысячи вариантов модулей, главными особенностями которых являются высокая эффективность преобразования, высокая удельная мощность, низкий уровень шумов, широкий диапазон входных напряжений, множество выходных напряжений, возможность регулировки выходного напряжения с помощью внешних электрических цепей, возможность стабилизации напряжения непосредственно на нагрузке (remote sense), возможность параллельной работы нескольких модулей на общую нагрузку с целью увеличения выходной мощности или резервирования, широкий рабочий температурный диапазон корпуса (от −55 до +125 °C), несколько вариантов компактных и надежных корпусов.

Построение системы электропитания на базе модулей Vicor позволяет сократить финансовые затраты на новую разработку и получить гарантированный результат в прогнозируемые сроки.

       

Импульсный стабилизатор с гальванической развязкой (DC/DC)

Мощность: 25-200 Вт

Импульсный стабилизатор с гальванической развязкой (DC-DC)

Мощность: 50-600 Вт

Импульсный стабилизатор с гальванической развязкой (DC-DC)

Мощность: 80-600 Вт

Импульсный стабилизатор с гальванической развязкой (AC-DC)

Мощность: 400 Вт

Импульсный стабилизатор без гальванической развязки (DC-DC)

Мощность: 10-260 Вт

Импульсный стабилизатор без гальванической развязки (DC-DC)

Мощность: 700-2400 Вт

Импульсный стабилизатор с гальванической развязкой (DC-DC)

Мощность: 100-600 Вт

Импульсный стабилизатор с гальванической развязкой (DC-DC)

Мощность: 320-1000 Вт


3-х фазный выпрямитель
для UHV BCM (AC-DC)
 

Мощность: 25-200 Вт

Импульсный преобразователь с гальванической развязкой без стабилизации (DC-DC)

Мощность: 1600 Вт

Импульсный преобразователь с гальванической развязкой без стабилизации (DC-DC)

Мощность: 300-1700 Вт

Импульсный преобразователь с гальванической развязкой без стабилизации (DC-DC)

Мощность: 120-1950 Вт

 

Подробнее о DC/DC модулях , AC/DC источниках питания Vicor (импульсных стабилизаторах и преобразователях с гальванической развязкой и без нее, выпрямителях и т д.) - на специализированном интернет-ресурсе www.powel.ru

Производители

Новости

Контакты

Все модульные источники питания 

Леонов Александр Михайлович

[email protected]

Все модульные источники питания 

Серяпин Александр Александрович

[email protected]

Источники питания Vicor

Иванов Дмитрий Анатольевич

[email protected]

Микросхемы для построения источников питания

Казак-Казакевич Александр Зенонович

[email protected]

Начальник отдела дистрибуции

Кривченко Игорь Владимирович

[email protected]

WURTH Трансформаторы для DC-DC преобразователей по топологии BUCK с гальванической развязкой

750314743

167.92 ₽

Кол-во шт./от

Цена за шт./₽

142,08121,42100,75запрос
EP5 SMD
750314744

167.92 ₽

Кол-во шт./от

Цена за шт./₽

142,08121,42100,75запрос
EP5 SMD
750314745

167.92 ₽

Кол-во шт./от

Цена за шт./₽

142,08121,42100,75запрос
EP5 SMD
750314746

167.92 ₽

Кол-во шт./от

Цена за шт./₽

142,08121,42100,75запрос
EP5 SMD
750314747

167.92 ₽

Кол-во шт./от

Цена за шт./₽

142,08121,42100,75запрос
EP5 SMD
750314748

167.92 ₽

Кол-во шт./от

Цена за шт./₽

142,08121,42100,75запрос
EP5 SMD
750315882

167.92 ₽

Кол-во шт./от

Цена за шт./₽

142,08121,42100,75запрос
EP10 SMD
750342557

167.92 ₽

Кол-во шт./от

Цена за шт./₽

142,08121,42100,75запрос
EP10 SMD
750342779

167.92 ₽

Кол-во шт./от

Цена за шт./₽

142,08121,42100,75запрос
EP7 SMD
750342859

167.92 ₽

Кол-во шт./от

Цена за шт./₽

142,08121,42100,75запрос
EP10 SMD
750342860

167.92 ₽

Кол-во шт./от

Цена за шт./₽

142,08121,42100,75запрос
EP10 SMD
750342864

167.92 ₽

Кол-во шт./от

Цена за шт./₽

142,08121,42100,75запрос
EP13 SMD
750342878

167.92 ₽

Кол-во шт./от

Цена за шт./₽

142,08121,42100,75запрос
EP7 SMD

24D2405N2NL - DC/DC преобразователь питания Yuan Dean Scientific

Конвертер 17D-24D2405N2NL

Двухканальный DC/DC преобразователь питания 17D-24D2405N2NL производства Yuan Dean Scientific с выходной мощностью 1 ватт, в SIP корпусе, габаритные размеры: 19.5x7.1x10 мм. Конвертер с фиксированным входным напряжением постоянного тока 24 вольт. Диапазон входных напряжений от 22.8 до 25.2 вольт. С выходным напряжением постоянного тока 24/5 вольт и гальванической развязкой От входа 1000 вольт. Данный конвертер питания не имеет стабилизации выходного напряжения, снабжен кратковременной защитой от короткого замыкания.

Спецификация на серию
17D-_D__NNL, pdf-файл

  • Фиксированное напряжение
  • Изолированный 1000VDC
  • Без стабилизации

Характеристики

Мощность1 Вт
Тип входаФиксированное напряжение
Входное напряжение24В (DC) 22.8~25.2
Тип выходаДвухканальный
Выходное напряжение24/5В (DC)
Выходной ток21/100 мА
КПД70 %
Стабилизация выходного напряженияНет
Гальваническая развязкаОт входа
Напряжение изоляции вход-выход1000В (DC)
Защита от КЗКратковременная
Рабочая температура-40 ~ +85 °C
Тип корпусаВыводной монтаж, SIP
Материал корпусаПластмасса
Размеры (ДxШxВ)19.5x7.1x10 мм
Шаг выводов2.54 мм
ПроизводительYuan Dean Scientific
Серия17D-_D__NNL
ДоступностьПроизводится

Отгрузка преобразователей со склада в Москве осуществляется только по предварительному заказу по электронной почте.

Как заказать?

Добавьте необходимое количество 17D-24D2405N2NL в список запроса и отправьте заказ.


Серия 17D-_D__NNL

Общие характеристики DC/DC преобразователей

Входное
напряжение,
VDC
Выходное
напряжение,
VDC
Выходной
ток, mA
КПД,
%
5, 9, 12, 15, 243.3/3.3150/15070
5, 9, 12, 15, 243.3/5150/10070
5, 9, 12, 15, 243.3/9150/5670
5, 9, 12, 15, 243.3/12150/4270
5, 9, 12, 15, 243.3/15150/3470
5, 9, 12, 15, 243.3/24150/2170
5, 9, 12, 15, 245/3.3100/15070
5, 9, 12, 15, 245/5100/10070
5, 9, 12, 15, 245/9100/5670
5, 9, 12, 15, 245/12100/4270
5, 9, 12, 15, 245/15100/3470
5, 9, 12, 15, 245/24100/2170
5, 9, 12, 15, 249/3.356/15070
5, 9, 12, 15, 249/556/10070
5, 9, 12, 15, 249/956/5670
5, 9, 12, 15, 249/1256/4270
5, 9, 12, 15, 249/1556/3470
5, 9, 12, 15, 249/2456/2170
5, 9, 12, 15, 2412/3.342/15070
5, 9, 12, 15, 2412/542/10070
5, 9, 12, 15, 2412/942/5670
5, 9, 12, 15, 2412/1242/4270
5, 9, 12, 15, 2412/1542/3470
5, 9, 12, 15, 2412/2442/2170
5, 9, 12, 15, 2415/3.334/15070
5, 9, 12, 15, 2415/534/10070
5, 9, 12, 15, 2415/934/5670
5, 9, 12, 15, 2415/1234/4270
5, 9, 12, 15, 2415/1534/3470
5, 9, 12, 15, 2415/2434/2170
5, 9, 12, 15, 2424/3.321/15070
5, 9, 12, 15, 2424/521/10070
5, 9, 12, 15, 2424/921/5670
5, 9, 12, 15, 2424/1221/4270
5, 9, 12, 15, 2424/1521/3470
5, 9, 12, 15, 2424/2421/2170

Малогабаритные источники питания AC/DC, устойчивые

Малогабаритные DC/DC-преобразователи применяются в миллионах электронных изделий и систем, причем подавляющее большинство из них зависит от входного (front-end) источника питания, который преобразует напряжение первичной сети в выпрямленное и отфильтрованное напряжение, поступающее на DC/DC-преобразователи. Предельные уровни эмиссии гармонических составляющих тока приводятся в ГОСТ Р 51317.3.2-99 (МЭК 61000.3.2). Для улучшения гармонического состава тока, потребляемого от питающей сети, применяются корректоры коэффициента мощности (ККМ). Обеспечение устойчивой работы в жестких условиях окружающей среды, в ограниченном пространстве, при предельно высоких и низких температурах для разработчиков аппаратуры является сложной задачей.

 

Традиционные решения в распределенных системах электропитания

В традиционных системах, построенных по распределенному принципу, на печатной плате для ускорения переходных процессов и повышения эффективности размещаются DC/DC-преобразователи без гальванической развязки между входом и выходом, в непосредственной близости от точки приложения нагрузки (point-of-load — POL) [1]. Преобразователи POL обеспечиваются электропитанием от DC/DC-преобразователей большой мощности с гальванической развязкой, которые также установлены на печатной плате. Эти преобразователи обычно снабжаются напряжениями 48 или 24 В от крупногабаритного источника питания AC/DC со встроенным ККМ и принудительным воздушным охлаждением, установленного в системном корпусе, находящемся за пределами печатной платы (рис. 1).

Рис. 1. Распределенная система электропитания с входным источником питания AC/DC, установленным за пределами печатной платы

Этот метод является вполне рациональным для большинства применений. Однако в тех случаях, когда система электропитания должна обеспечивать питанием аппаратуру, размещаемую в корпусе вне помещения и занимающую минимальный объем, наиболее распространенным является решение на основе одного модуля в формате brick.

 

Усовершенствованные методы распределения электропитания

Крупные производители DC/DC-преобразователей, такие как TDK-Lambda, поставляют формирующие высокое выходное напряжение (типичное значение 360 В) модули входных преобразователей переменного напряжения в постоянное со встроенным ККМ, предназначенные для установки на печатную плату. Эти модули снабжают электропитанием DC/DC-преобразователи повышенной мощности (400-700 Вт), выполненные в корпусах форматов half-brick и full-brick, которые способны работать с высокими входными напряжениями (от 200 до 400 В). Преимущество данного метода заключается в размещении всех силовых компонентов на одной и той же печатной плате, за счет чего уменьшаются размеры конечного изделия и становятся ненужными межкомпонентные соединительные силовые проводники (рис. 2).

Рис. 2. Схема системы распределения электропитания с входным источником питания AC/DC, содержащим ККМ, установленным на системной печатной платы

Входные модули AC/DC с встроенным ККМ требуют применения некоторых внешних пассивных компонентов (накопительные и фильтрующие конденсаторы и т. д.), но площадь, необходимая для этих компонентов, меньше по сравнению с внешними источниками питания AC/DC в металлических корпусах. Эти внешние компоненты могут быть установлены автоматически при производстве печатной платы. Дополнительным преимуществом использования модулей является то, что отвод тепла осуществляется через металлическое основание корпуса, поэтому можно обойтись без вентиляторов благодаря охлаждению, осуществляемому посредством внешних теплоотводов (рис. 3) или через металлический корпус системы.

Рис. 3. Конструкция платы источника питания на основе модуля PFE500S с установленным внешним теплоотводом

 

Новые модули AC/DC в формате brick, созданные по принципу «два в одном»

Прогресс в компонентах и технологиях конструирования модулей питания способствовал минимизации размеров решения на основе двух корпусов в формате brick и появлению силовых модулей формата brick, вмещающих два модуля в одном корпусе и предназначенных для установки на печатную плату.

Увеличение удельной мощности достигнуто за счет применения специального пермаллоя в качестве материала магнитопровода трансформатора и дросселей. Новые подложки печатной платы и оригинальная технология намотки трансформатора способствуют уменьшению высоты компонентов и улучшению теплового режима. И, конечно, достижения в области интегральных микросхем внесли значительный вклад в оптимизацию параметров модулей преобразования напряжения нового поколения.

Серия PFE преобразователей AC/DC, объединяющих в одном корпусе формата brick два устройства (корректор КМ и DC/DC-преобразователь), представляет новый тип передовых с технологической точки зрения изделий на рынке источников питания. Модули могут размещаться в помещениях и аппаратуре наружной установки и уже заложены в ряд промышленных проектов, в оборудование для передачи данных и телекоммуникационное оборудование, особенно там, где аппаратура должна функционировать при повышенных температурах окружающей среды. На рис. 4 представлена структурная схема источника питания серии PFE500-1000F. Корректор КМ, выпрямитель и фильтр размещены в одном корпусе с преобразователем DC/DC. Активная высокочастотная схема коррекции работает с частотой переключения 100 кГц, значительно превышающей частоту сети, что позволяет основательно уменьшить размеры и стоимость фильтрующих компонентов. Схема осуществляет импульсное регулирование процесса протекания входного тока, фильтрацию последовательности высокочастотных импульсов, управление по контуру обратной связи током от питающей сети (для придания ему требуемой формы) и стабилизацию посредством контура обратной связи уровня выходного напряжения [2].

Рис. 4. Структурная схема преобразователя напряжения AC/DC серии PFE

Все модели серии PFE способны работать от однофазной сети переменного тока в диапазоне напряжения от 85 до 265 В (пределы изменения частоты сети от 47 до 63 Гц, модели серии PFE-S способны работать при частоте сети 440 Гц), схема активного ККМ включена как стандартная. В таблице представлены модели серии PFE и их основные выходные параметры. На рис. 5 показан внешний вид модулей питания AC/DC серии PFE500F.

Рис. 5. Внешний вид модулей преобразователей AC/DC серии PFE500F

Модули выполнены в стандартном корпусе с габаритами full-brick, что обеспечивает 50% экономию площади платы по сравнению с традиционными решениями.

Модели PFE300S и PFE500S обеспечивают на выходе стабилизированные напряжения с номинальными значениями 12, 28 и 48 В, которые регулируются в диапазоне ±20% от номинального напряжения. Модели с выходным напряжением 12 В обеспечивают в нагрузке 396 Вт при максимальной температуре основания корпуса +85 °С, тогда как модели с выходными напряжениями 28 и 48 В обеспечивают 504 Вт при температуре основания корпуса + 100 °С (PFE500S). Нестабильность по напряжению и току составляет 0,4%. Идеальными для применения в распределенных системах электропитания являются модули с выходным напряжением 12 В, так как они непосредственно могут обеспечивать питанием преобразователи POL. Применение комбинированного модуля AC/DC без необходимости использования промежуточной шины для многочисленных недорогих преобразователей POL обеспечивает значительное снижение себестоимости и высокий КПД (рис. 6).

Модуль PFE700S с нестабилизированным выходным напряжением способен обеспечить 714 Вт при выходном напряжении 51 В и может применяться в качестве формирователя напряжения промежуточной шины для снабжения напряжением DC/DC-преобразователей со стабилизированным выходом в применениях, требующих различных значений выходных напряжений. Максимальная температура основания корпуса равна +100 °С, выходная мощность снижается линейно до 85% от максимальной при температурах выше +85 °С. Нестабильность модуля PFE700S по напряжению и току составляет 4 В.

Рис. 6. Распределенная система электропитания с формированием напряжения 12 В для преобразователей POL с модулем AC/DC со встроенным ККМ

Новые модели PFE500F, выполненные в несколько больших по размеру корпусах (70×122×12,7 мм), сочетают хорошо зарекомендовавшее себя функционально законченное решение существующих модулей серии PFE с дополнительными функциональными возможностями. Симметрирование выходного тока обеспечивает параллельную работу до шести модулей PFE500F; это свойство позволяет увеличить выходную мощность системы. Дополнительно сервисная функция дистанционного включения/выключения и сигнализация о статусе преобразователя (Inverter Operation Good — IOG) обеспечивают значительную гибкость при формировании программного включения или отключения отдельных модулей системы электропитания и при диагностике отказов системы питания. Предусмотрен также дополнительный выходной канал 12 В (20 мА) для питания внешних схем.

Дополнительным преимуществом является то обстоятельство, что с таким рядом модулей для монтажа на печатную плату существенно расширяется состав и количество специальных заказных комплектов, которые может предложить компания TDK-Lambda.

Модели PFE500F обеспечивают стабилизированные выходные напряжения с номинальными значениями 12, 28 и 48 В с регулировкой в диапазоне ±20% от номинального напряжения. Модуль PFE500F-12 с 12-В выходом обеспечивает в нагрузке до 504 Вт при максимальной температуре основания корпуса +85 °С, тогда как в моделях с выходными напряжениями 28 и 48 В такое значение мощности можно достичь при температуре + 100 °С. Нестабильность по напряжению и току составляет 0,4%, а значение КПД превышает 83% для всех моделей (при входном напряжении 230 В).

Во многих отраслях увеличился спрос на источники питания с выходной мощностью 1000 Вт. Идя навстречу требованиям рынка, компания TDK-Lambda начала выпуск источников питания AC/DC с такой выходной мощностью для различных применений.

Одноканальные модули питания серии PFE1000F обеспечивают стабилизированное выходное напряжение с номинальными значениями 12, 28 или 48 В с возможностью регулировки в диапазоне ±20% от этих значений. Модули серии PFE1000F способны работать при температурах основания корпуса от -40 до +100 °С. Значения КПД составляют от 82 до 86% в зависимости от выходного напряжения.

Рис. 7. Модули питания серии PFE1000F больше функциональных возможностей в одном корпусе формата brick

Гальваническая развязка первичных цепей от вторичных цепей 3 кВ (действующее значение переменного тока), гальваническая развязка первичная цепь-корпус 2,5 кВ. Модули обладают комплексом защит от перенапряжения, перегрузки по току и перегрева. Габаритные размеры компактного корпуса модуля PFE1000F 100×13,5×160 мм, отвод тепла осуществляется с помощью внешних теплоотводов.

Эти уникальные модули обеспечивают удобное решение для монтажа AC/DC-преобразователя на печатную плату с выходной мощностью до 1008 Вт для применений в промышленности, роботах, оборудовании COTS, передачи данных, высокочастотного вещания, в телекоммуникационной аппаратуре, локальных цифровых видеосетях. На рис. 7 показан внешний вид модулей питания серии PFE1000F с выходными напряжениями 12, 28 и 48 В.

Литература
  1. Жданкин В. К. Преобразователи напряжения для современных высокопроизводительных цифровых систем // Современные технологии автоматизации. 2002. № 4.
  2. Хантер П. Улучшение характеристик импульсных источников питания путем коррекции коэффициента мощности // Электроника. 1992. № 11-12.
Преобразователи мощности

с изолированной и неизолированной изоляцией

В чем разница между изолированными и неизолированными источниками питания?

Короче говоря, изолированный силовой преобразователь изолирует вход от выхода, электрически и физически разделяя цепь на две части, предотвращающие прохождение постоянного тока между входом и выходом, что обычно достигается с помощью трансформатора. А неизолированный преобразователь мощности имеет единственную цепь, в которой ток может течь между входом и выходом.Для тех, кто не Если вы знакомы с источниками питания, это приводит к дополнительным вопросам: каковы преимущества изолированных источников питания по сравнению с неизолированными? И как мне узнать, какой из них мне нужен для моего приложения?

Основы изоляции

Гальваническая развязка (обычно упрощенная до простой изоляции) - это физическое и электрическое разделение одной секции схема и другое. Результатом изоляции является то, что каждая из изолированных цепей имеет свой собственный возврат или заземление.В неизолированном преобразователе, как показано в левой части рисунка 1, вход и выход имеют общую землю и ток. может течь между ними. Однако в изолированном преобразователе, как показано в правой части рисунка 1, вход и выход возвращаются. к их собственному независимому заземлению, и нет пути для постоянного тока от одного к другому.

Рисунок 1: Неизолированный понижающий преобразователь (слева), изолированный обратноходовой преобразователь (справа)

Несмотря на то, что ток не может течь между входом и выходом в изолированных преобразователях, питание и информация по-прежнему должны передаваться с одной стороны на другую.Есть несколько способов сделать это, но преобразователи мощности обычно полагаться на двоих; мощность передается через электромагнитные поля с помощью трансформаторов или связанных катушек индуктивности, и сигналы пересекаются изоляция с помощью сигнальных трансформаторов или оптически через оптоизоляторы.

Изоляция не абсолютна. При достаточно высоком напряжении изоляция выйдет из строя и потечет ток. Таблицы данных будут обычно указывается напряжение изоляции, то есть напряжение, которое может быть приложено к изоляции в течение короткого времени без текущий течет.Номинал изоляции не следует путать с рабочим напряжением, которое является максимальным напряжением, которое может быть применяется непрерывно через изоляцию без нарушения изоляции.

Плагин

!

Будьте в курсе последних продуктов CUI, технических ресурсов и инструментов.

Преимущества изоляции

Есть несколько случаев, когда может потребоваться изолированный источник питания или он может дать некоторые преимущества в приложении. Это включает соблюдение требований безопасности, разрыв контуров заземления и смещение уровня.

Соответствие требованиям безопасности

Требования безопасности - частая причина использования изолированного преобразователя мощности. Для преобразователей с высоким питанием и потенциально Изоляция опасного напряжения (например, преобразователи переменного тока в постоянный, питаемые от сети переменного тока) отделяет выход от опасных напряжений на Вход.

Когда важна безопасность, следует также учитывать степень изоляции. Стандарты безопасности следует пересмотреть, чтобы определить, что уровень изоляции требуется для данного применения.Класс изоляции делится на несколько категорий, в том числе: функциональные, базовые, дополнительные и усиленные.

  • Функциональная изоляция: является наиболее простой и, хотя и обеспечивает изоляцию, не обеспечивает никакой защиты от поражения электрическим током.
  • Базовая изоляция: обеспечивает однослойную защиту от ударов.
  • Дополнительная изоляция: - это основная изоляция плюс один дополнительный барьер для резервирования.
  • Усиленная изоляция: представляет собой одинарный барьер, эквивалентный двум слоям основного.

Разрыв заземления

Поскольку вход и выход изолированных источников питания не имеют общего заземления, их можно использовать для размыкания контуров заземления. Цепи, чувствительные к шуму, могут извлечь выгоду из этого, если их заземление будет разорвано и отделено от зашумленных цепей. это могло вызвать проблемы.

Плавающие выходы и смещение уровня

Еще одно преимущество изолированных преобразователей - это плавающий выход.Изолированные выходы с фиксированным напряжением между выходами. клеммы, не имеют определенного или фиксированного напряжения относительно узлов напряжения в цепях, от которых они были изолированы, и считаются плавающими. Однако у плавающего выхода один из выводов может быть подключен к другому узлу схемы, чтобы зафиксировать его. к этому напряжению. Этот факт можно использовать для сдвига или инвертирования выходного сигнала относительно другой точки в цепи.

Например, на рисунке 2 показано, как подключение клеммы + Vout к клемме заземления входа приведет к понижению заземления выхода. ниже уровня земли на входе на величину, равную Vout.Перед тем, как сделать это соединение, напряжение между Vin и Vout не было определено, эта связь теперь обеспечивает общий потенциал, с которым теперь связана каждая сторона.

Рисунок 2: Инвертирующее соединение

При подключении выходной клеммы заземления к клемме + Vin, как показано на рисунке 3, клемма + Vout будет равна (Vin + Vout) относительно входной земли. И в этом, и в предыдущем случае изоляция от входа к выходу была потеряна, поскольку обе стороны теперь имеют прямую связь.

Рисунок 3: Дополнительная конфигурация

Несколько изолированных преобразователей с плавающими выходами также могут быть подключены последовательно для увеличения выходного напряжения или создания +/- рельсы, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4: +/- шины, созданные с использованием двух изолированных одиночных выходов

Следует позаботиться о том, чтобы выходы были действительно плавающими. Например, если выходные клеммы заземления двух изолированных преобразователи были подключены к шасси, они больше не были бы плавающими относительно друг друга, и если бы выходы были при последовательном подключении это приведет к короткому замыканию на одном из преобразователей, так как обе клеммы будут подключены к шасси.В Преобразователи переменного тока в постоянный иногда случается, что выходной вывод заземления соединен с землей, что означает, что он больше не плавающий, хоть и изолированный.

Преимущества неизолированного

Несмотря на то, что изоляция имеет много преимуществ, есть также причины использовать неизолированный преобразователь, включая стоимость, размер и представление.

Экономия затрат

Изолированные преобразователи обычно дороже неизолированных.Основной причиной разницы в стоимости является использование трансформатор вместо индуктора. Трансформаторы, как правило, изготавливаются по индивидуальному заказу, в отличие от катушки индуктивности в неизолированном преобразователе. которые можно купить с полки. Если требуется более высокий уровень изоляции (например, необходимый для обеспечения безопасности), стоимость будет в дальнейшем увеличиваться. Помимо трансформатора, есть компоненты, такие как оптопары, которые могут быть добавлены к изолированный дизайн, который не был бы необходим в неизолированном.Все это увеличивает стоимость по сравнению с неизолированным дизайн.

Меньший размер

Неизолированные преобразователи обычно меньше изолированных. Компоненты, увеличивающие стоимость, упомянутые ранее, занимают больше пространство, чем те, которые используются в неизолированной конструкции. В дополнение к замене трансформатора на индуктор, неизолированные преобразователи, как правило, работают на более высоких частотах переключения, что еще больше уменьшает размер магнитных компонентов и конденсаторов.

КПД

Эффективность и регулирование неизолированных преобразователей также обычно лучше, чем у изолированного преобразователя. В трансформатор и оптопары снова вносят основной вклад в разницу в характеристиках. Отсутствие изолирующего барьера позволяет напрямую определять и точно контролировать выходной сигнал для лучшего регулирования и переходных характеристик. Их маленькие размер также позволяет размещать их ближе к нагрузке, чтобы уменьшить влияние линии передачи.

Заключение

Выбор между изолированными и неизолированными преобразователями зависит от многих факторов. Некоторые приложения требуют изоляции для безопасности по причинам, и другие могут получить выгоду от плавающего выхода за счет разрыва контуров заземления или сдвига опорных напряжений. Тем не мение, там, где изоляция не требуется, неизолированный преобразователь может обеспечить снижение стоимости, размера и / или повышение эффективности. Понимание затрат и преимуществ изоляции важно при выборе правильного преобразователя для оптимизированной конструкции.

Категории: Основы , Выбор продукта

Дополнительные ресурсы


У вас есть комментарии к этому сообщению или темам, которые вы хотели бы, чтобы мы освещали в будущем?
Отправьте нам письмо по адресу powerblog @ cui.ком

Общие сведения о регулировании напряжения изолированного преобразователя постоянного / постоянного тока

Изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный ток

требуются в широком диапазоне приложений, включая измерение мощности, промышленные программируемые логические контроллеры (ПЛК), источники питания драйверов на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT), промышленные полевые шины и промышленную автоматизацию. Эти преобразователи часто используются для обеспечения гальванической развязки, повышения безопасности и повышения помехоустойчивости.Более того, их можно использовать для генерации нескольких шин выходного напряжения, включая шины двойной полярности.

С точки зрения точности регулирования выходного напряжения изолированные преобразователи постоянного / постоянного тока обычно делятся на три категории: регулируемые, нерегулируемые и полурегулируемые. В этой статье обсуждаются различные схемы регулирования и соответствующие топологии. Подробно рассмотрены факторы, влияющие на точность регулирования. Это приводит к некоторым конструктивным советам по повышению точности регулирования в практических конструкциях. Кроме того, представлены плюсы и минусы каждой схемы, чтобы дать рекомендации по выбору подходящего решения для конкретного приложения.

Обратная связь и управление изолированными преобразователями постоянного тока в постоянный

Преобразователи постоянного тока в постоянный с изоляцией

обычно используют трансформатор для гальванической развязки выхода от входа силового каскада (, рис. 1, ).

Рисунок 1 Блок-схема изолированного силового каскада преобразователя постоянного тока в постоянный

В изолированном DC / DC преобразователе с обратной связью (, рис. 2, ) схема обратной связи определяет выходное напряжение и генерирует ошибку, сравнивая измеренное напряжение с его целевым значением (опорное напряжение обратной связи).Затем ошибка используется для корректировки регулирующей переменной (рабочий цикл в этом примере), чтобы компенсировать отклонение выходного сигнала. Гальваническая развязка между цепями управления на первичной и вторичной сторонах также важна. Такая изоляция может быть достигнута с помощью трансформатора или оптрона. Предполагая, что опорное напряжение V REF является точным и стабильным по температуре, точность регулирования в основном зависит от точности измерения выходного напряжения (другими словами, насколько хорошо V SENSE похож на V OUT ).

Рисунок 2 Обратная связь и управление изолированным DC / DC преобразователем с обратной связью

Нерегулируемые изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный

Нерегулируемые изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный, также известные как изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный без обратной связи, широко используются в приложениях, не требующих точного выходного напряжения. Типичным примером является двухтактный преобразователь с фиксированным рабочим циклом 50% (, рис. 3, ). Схема управления состоит только из генератора и двух драйверов затвора, которые генерируют два дополнительных фиксированных сигнала затвора с коэффициентом заполнения 50% для управления Q1 и Q2.Коэффициент трансформации трансформатора выбирается таким образом, чтобы обеспечить желаемое выходное напряжение. Не требуется ни схемы обратной связи, ни изолятора сигналов, что снижает стоимость и размер решения.

Рисунок 3 Нерегулируемый двухтактный преобразователь с фиксированным рабочим циклом 50%

Двухтактный преобразователь - это, по сути, прямая топология. Когда он работает с фиксированным рабочим циклом 50%, регулирование выходного напряжения может быть разработано с использованием эквивалентной схемы в , рис. 4, . R - эквивалентное сопротивление вторичной обмотки и цепи трансформатора. Выходное напряжение можно выразить как (1):

, где V R - падение напряжения на резисторе R и V F - прямое падение напряжения на диоде, которые зависят от тока нагрузки. Кроме того, V R и V F также изменяются в зависимости от температуры окружающей среды, как и V OUT . Уравнение 1 указывает, что V IN , помимо тока нагрузки и температуры окружающей среды, также является фактором V OUT .Эти факторы вообще не компенсируются, что может привести к значительным колебаниям выходного напряжения. Именно поэтому такие преобразователи называются нерегулируемыми .

Рисунок 4 Эквивалентная схема нерегулируемого двухтактного преобразователя

Подобно двухтактным преобразователям, другие топологии, обычно используемые для нерегулируемых изолированных преобразователей постоянного тока в постоянный, представляют собой полумостовые и полномостовые (H-мостовые) преобразователи. Из-за низкой стоимости и простоты схемы эти нерегулируемые изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный обычно используются в качестве трансформаторов постоянного тока для обеспечения гальванической развязки.Регулятор с малым падением напряжения (LDO) часто используется в качестве пострегулятора, чтобы обеспечить низкий уровень шума и низкий уровень пульсаций питания.

Регулируемые изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный

Входное напряжение, ток нагрузки и температура окружающей среды - все это влияет на точность выходного напряжения в нерегулируемом изолированном преобразователе постоянного тока в постоянный. Это неприемлемо для приложений, где критичны точное выходное напряжение и жесткое регулирование, и следует использовать регулируемый изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный.Обратный преобразователь в . Рис. 5 взят в качестве примера, чтобы уточнить, как достигается жесткое регулирование. По сравнению с нерегулируемым двухтактным преобразователем (, рис. 3, ), регулируемый обратноходовой преобразователь имеет дополнительную схему обратной связи. Также оптопара используется для передачи управляющего сигнала со вторичной стороны на первичную при достижении гальванической развязки.

Преимущество использования оптрона заключается в том, что цепь обратной связи может быть размещена на вторичной стороне.Таким образом, выходное напряжение можно напрямую измерять и регулировать (то есть V SENSE = V OUT ), что, в свою очередь, компенсирует все эффекты входного напряжения, тока нагрузки и температуры на регулирование выходного напряжения. В результате обычно можно ожидать жесткого регулирования в диапазоне от ± 1% до ± 3% для всех рабочих входных напряжений, тока нагрузки и температурных условий.

Использование оптопары имеет несколько недостатков. Прежде всего, оптопара вводит дополнительный полюс в контур управления, что уменьшает полосу пропускания преобразователя.Во-вторых, оптопара имеет большие отклонения от единицы к единице, а также ухудшение температуры и срока службы коэффициента передачи тока (CTR), что накладывает ограничения на конструкцию контура управления.

Рисунок 5 Регулируемый обратный преобразователь с использованием оптрона

Полурегулируемые изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный

Нерегулируемые изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный не требуют оптопары, но не обеспечивают какого-либо регулирования. И наоборот, регулируемые изолированные преобразователи постоянного / постоянного тока обеспечивают жесткое регулирование выходного напряжения, но требуют оптопары.Есть много приложений, в которых заказчик может не захотеть использовать оптопару, но потребует некоторой регулировки выходного напряжения. Так называемый полурегулируемый изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный будет подходящим решением.

С точки зрения регулирования выходного напряжения полурегулируемый изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный представляет собой нечто среднее между нерегулируемым и регулируемым изолированным преобразователем постоянного тока в постоянный. Подобно регулируемому изолированному преобразователю постоянного тока в постоянный полурегулируемый изолированный преобразователь постоянного тока также имеет цепь обратной связи.Однако он не определяет и не регулирует выход напрямую. Вместо этого он просто определяет напряжение, которое напоминает выходное напряжение на вторичной стороне, но обычно соотносится с первичным входным напряжением. Эти методы могут не обеспечить столь же точное выходное напряжение, но они устраняют оптопару, обеспечивая при этом приличную стабилизацию выходного напряжения. В этой статье обсуждаются три примера: понижающий преобразователь, обратный преобразователь с перекрестно регулируемым выходом и обратный преобразователь первичной стороны (PSR).

Преобразователь Fly-Buck

Понижающий преобразователь (, рис. 6, ) - это, по сути, синхронный понижающий преобразователь с дополнительной обмоткой, соединенной с его индуктором для генерации изолированного выхода (V OUT ). В дополнение к изолированному выходу на вторичной стороне преобразователи Fly-Buck обеспечивают регулируемый выход (V P ) на первичной стороне. Выход первичной стороны регулируется так же, как автономный синхронный понижающий преобразователь (2):

, где D - рабочий цикл понижающего переключателя Q1 в , рис. 6, .Когда синхронный переключатель Q2 нижнего плеча проводит, V P отражается во вторичную обмотку и выпрямляется как V OUT . Эквивалентная схема показана на Рисунок 7 . V OUT можно рассчитать по (3):

Подобно нерегулируемому двухтактному преобразователю, описанному уравнением 1 и рис. 4 , изолированный выход Fly-Buck является функцией В R и В F , которые являются током нагрузки. и температурно-зависимый.Однако В P - это постоянное напряжение, регулируемое цепью обратной связи, что составляет В P и, таким образом, V OUT независимо от V IN . К изолированному выходу преобразователя Fly-Buck компенсируется влияние V IN , но влияние тока нагрузки и температуры не компенсируется. Таким образом, преобразователь Fly-Buck TM относится к категории полурегулируемых изолированных преобразователей постоянного тока в постоянный.

Рисунок 6 Fly-Buck преобразователь

Рисунок 7 Эквивалентная схема Fly-Buck преобразователя

Когда Q1 включен, выходной конденсатор C OUT разряжается, обеспечивая ток нагрузки.Когда Q2 включен, заряд выходного конденсатора пополняется для поддержания регулирования. На практике трансформатор имеет большую или меньшую индуктивность рассеяния, которая определяет скорость нарастания тока во вторичной обмотке для зарядки выходного конденсатора. Индуктивность рассеяния вместе с рабочим циклом влияет на регулирование выходного напряжения. Индуктивность рассеяния должна быть минимизирована, а максимальный рабочий цикл должен быть тщательно выбран, чтобы уменьшить их влияние на регулирование. При правильной конструкции можно достичь стабилизации выходного напряжения примерно от ± 5 до ± 10 процентов в зависимости от диапазона тока нагрузки.

Обратный преобразователь с перекрестно регулируемым выходом

Обратный преобразователь может легко генерировать несколько выходов без какой-либо дополнительной катушки индуктивности выходного фильтра, которая обычно требуется в других топологиях преобразователей постоянного тока в постоянный. В конфигурации с несколькими выходами (, рис. 8, ) только один выход (Vaux) регулируется напрямую, в то время как другие (V OUT ) зависят от перекрестного регулирования. Сопоставляя регулируемый выход (Vaux) обычно со входом (V IN ) на первичной стороне (, рис. 8, ), можно исключить оптопару регулируемого обратного преобразователя на рис. 5 .Изолированный выход (V OUT ) на вторичной стороне может быть получен как (4):

, где В Rs и В Ra - эквивалентное падение напряжения на сопротивлении вторичной обмотки и вспомогательной обмотки соответственно. V Rs, V Ra , V FD1 и V FD2 - все функции собственного тока. Токи, протекающие во вторичной и вспомогательной обмотках, неравномерны, что приводит к несоответствию регулирования нагрузки между V OUT и V AUX .Следовательно, регулирование нагрузки V OUT не так хорошо, как V AUX . Изолированный выход не зависит от V IN , что свидетельствует о хорошем линейном регулировании. Обычно может быть достигнуто регулирование выходного напряжения от ± 5 до ± 10 процентов, поскольку перекрестно регулируемое выходное напряжение зависит от диапазона тока нагрузки.


Рисунок 8
Обратный преобразователь с перекрестно регулируемым выходом


Обратный преобразователь PSR

И Fly-Buck, и обратный ход, основанные на перекрестном регулировании, не могут компенсировать влияние тока нагрузки на регулирование выходного напряжения, хотя линейное регулирование хорошее.Следовательно, точность выходного напряжения зависит от тока нагрузки. Обратный преобразователь PSR (, рис. 9, ) предназначен для минимизации этой зависимости за счет более точного измерения выходного напряжения.

Рисунок 9 Обратный преобразователь PSR

При работе в режиме прерывистой проводимости (DCM) или режиме граничной проводимости (BCM) вторичный ток возвращается к нулю в каждом цикле переключения. На рисунке 10 показан профиль напряжения вспомогательной обмотки в DCM.Обратный преобразователь PSR измеряет напряжение вспомогательной обмотки (V SENSE ) в точке перегиба, когда вторичный ток приблизительно равен нулю, через специальный дискриминатор и схему дискретизатора. В точке отбора проб нет падения напряжения сопротивления между обмоткой и дорожкой, поскольку вторичный ток равен нулю. Кроме того, прямое падение напряжения на диоде в точке выборки становится постоянным (V OFFSET ), независимо от фактического тока нагрузки. Таким образом, измеренное напряжение становится (5):

Таким образом, независимо от тока нагрузки, V SENSE хорошо представляет выходное напряжение только с фиксированным напряжением, которое может быть смещено путем настройки резисторного делителя обратной связи по напряжению.Таким образом, влияние тока нагрузки на регулирование выходного напряжения сводится к минимуму, и можно ожидать хорошего регулирования нагрузки. Поскольку обратный преобразователь PSR компенсирует колебания как линии, так и нагрузки, может быть достигнуто общее регулирование лучше, чем ± 5%.

Рисунок 10 Схема измерения напряжения обратного преобразователя PSR

Для обеспечения гальванической развязки, безопасности и повышенной помехоустойчивости вторичная сторона гальванически изолирована от первичной в изолированных преобразователях постоянного тока в постоянный.Эта изоляция применяется как к силовому каскаду, так и к цепям управления. Способ измерения и регулирования выходного напряжения определяет точность регулирования выходного напряжения. Нерегулируемые изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный имеют самую низкую стоимость и простейшую схему, но не имеют регулирования. Регулируемые изолированные преобразователи постоянного / постоянного тока обеспечивают жесткое регулирование в диапазонах линии, нагрузки и температуры, но требуют либо оптопары, либо ИС с цифровым изолятором. Полурегулируемые изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный представляют собой компромисс между регулированием выходного напряжения и сложностью схемы.Наиболее подходящее решение следует выбирать в зависимости от потребностей конкретного приложения.

Хайфэн Фэн (Haifeng Fan) - системный инженер в бизнес-группе Texas Instruments по управлению питанием.

Список литературы

  1. Регулируемые обратноходовые преобразователи с использованием LM5001 и LM5022
  2. Fly-Buck преобразователь с использованием LM5017
  3. Нерегулируемый двухтактный преобразователь с использованием SN6501
  4. Обратноходовой преобразователь регулирования первичной стороны с использованием UCC28700
  5. Сян Фанг, Вэй Лю и Ануп Чадага, «Практическое руководство по использованию продукта: Flybuck добавляет хорошо регулируемые изолированные выходы к понижающему устройству без оптопар», EDN, 6 апреля 2014 г.
  6. Роберт Коллман, «Выберите правильное передаточное число для преобразователя Fly-Buck», EE Times
  7. Haifeng Fan, «Как разработать повышающие, SEPIC и обратноходовые регуляторы с ИС управления повышением мощности с широким VIN», Официальный документ (SLYY062), Texas Instruments, август 2014 г.

См. Также :

Новая текущая война: изолированное против неизолированного постоянного тока: преобразователь постоянного тока

В бизнесе распределения электроэнергии в конце 19-го века доминировала печально известная «Война токов» между Томасом Эдисоном и Николой Тесла.Битва была эпической, о ней написали многие книги и даже недавно сняли крупный голливудский фильм. Однако по мере того, как мы стремительно приближаемся к середине 21-го века, мы видим, что постоянный ток возрождается, поскольку два основных элемента питания постоянного тока, солнечная энергия и аккумуляторы энергии, становятся более важной частью нашего энергобаланса. Возрождение постоянного тока порождает своего рода новую текущую войну, конфликт между двумя подходами к преобразованию мощности постоянного тока для удовлетворения потребности в различных уровнях постоянного напряжения между источником и нагрузкой, процесс, известный как преобразование постоянного тока в постоянный.

Сегодняшние коммерческие и коммунальные преобразователи постоянного тока имеют множество применений, от объединения солнечных батарей и накопителей на стороне постоянного тока инвертора до повышения или понижения уровня напряжения, генерируемого солнечной батареей, для обеспечения определенных нагрузок постоянного тока. Излишне говорить, что они часто лежат в основе ряда современных микросетей.

DC: преобразователи постоянного тока или оптимизаторы DC: DC, как их иногда называют, могут быть построены одним из двух способов:

1. Изолированный: вход постоянного тока изолирован от выхода.

2.Неизолированный: вход и выход постоянного тока соединены с одним и тем же потенциалом. Эти типы DC: DC преобразователи обычно известны как понижающие, повышающие или понижательно-повышающие преобразователи.

Изолированный тип преобразователя постоянного тока в постоянный, категория, к которой относятся устройства Alencon SPOT и BOSS, может быть особенно выгодным по сравнению с неизолированным типом по ряду причин, в том числе:

1. Они изолируют заземление между входом и выходом - это означает, что схема заземления источника постоянного тока может отличаться от нагрузки на выходе.

2.Они могут «отображать» существенно разные уровни постоянного напряжения на входе относительно выхода.

3. Они имеют очень низкую емкость на выходе, что более легко и безопасно позволяет размещать несколько изолированных преобразователей постоянного / постоянного тока параллельно на одной шине постоянного тока

Позже в этой статье мы объясним, почему эти преимущества имеют значение для некоторых из наиболее востребованных сегодня приложений альтернативной энергетики. Однако, прежде чем сделать это, мы быстро объясним принципы работы, лежащие в основе как изолированного, так и неизолированного типа преобразователей постоянного тока в постоянный.

Неизолированный понижающий / повышающий преобразователь

Как следует из названия, повышающий преобразователь - это преобразователь постоянного тока в постоянный, который повышает или увеличивает напряжение на выходе по сравнению с входом. Понижающий преобразователь, напротив, снижает напряжение на выходе по сравнению с входом. Некоторые устройства являются только повышающими преобразователями, другие - только понижающими. Другие представляют собой комбинацию этих двух, что означает, что одно устройство может как увеличивать, так и уменьшать напряжение на своем выходе по сравнению с его входом в зависимости от требований.Эти «комбинированные» устройства называются преобразователями Buck-Boost, то есть они объединяют функции понижения и повышения в одной цепи.

Принцип работы неизолированного повышающего преобразователя таков, что поступающая энергия накапливается в катушке индуктивности в течение определенного периода времени, а затем выделяется в конденсатор на выходе устройства. Это накопление и высвобождение энергии аналогично тому, как потенциальная энергия сохраняется в снаряде, когда выстрел из пращи отводится назад, а затем высвобождается. В случае расцепления энергия накапливается в конденсаторе перед тем, как передать нагрузку, подключенную к выходу.

Другой подход к преобразованию постоянного тока в постоянный - изолированный преобразователь. В этом подходе постоянный ток преобразуется в переменный, проходит через трансформатор и выпрямляется обратно до совершенно другого уровня постоянного напряжения. Конструкция или обмотки трансформатора действуют как шестерни в отношении управления напряжением на входе и выходе. Это означает, что соотношение постоянного напряжения на входе устройства и на выходе можно легко изменить, просто изменив конструкцию трансформатора.

Рисунок 1: Рисунки выше иллюстрируют принцип работы трансформатора. Трансформатор электрически работает примерно так же, как шестерни.

Трансформатор - это электрическое устройство, состоящее как минимум из двух катушек индуктивности, намотанных на ферромагнитный сердечник. Трансформатор, конечно, обычно связан с приложениями переменного тока, а не с приложениями постоянного тока. Однако применение трансформатора в устройстве постоянного тока путем простого добавления пары дополнительных преобразований дает несколько преимуществ, включая изоляцию земли входа и выхода, термин, известный как гальваническая развязка.Кроме того, полагаясь на обмотки трансформатора, такое устройство может использовать одно из огромных преимуществ, которые Тесла использовал, чтобы превзойти Эдисона много лет назад, - гибкость, которую предлагает трансформатор при значительном изменении уровней напряжения.

Рисунок 2: Гальваническая развязка используется там, где две или более электрических цепей должны обмениваться данными, но их земли могут иметь разные потенциалы. Преобразователи постоянного тока в постоянный ток компании Alencon Systems состоят из секции инвертора и выпрямителя с разделительным трансформатором между ними для достижения полной гальванической развязки между входом и выходом.Применение силовой электроники из карбида кремния позволяет устройствам Alencon быть очень эффективными и компактными.

Почему преимущества изолированного преобразователя постоянного тока так важны

Гибкость, обеспечиваемая изолированным преобразователем постоянного тока в постоянный, обеспечивает некоторые очень важные преимущества для решения ряда основных проблем, возникающих сегодня в области альтернативной энергетики. Изоляция заземления, которую предлагают эти устройства, имеет решающее значение при соединении заземленных фотоэлектрических систем с плавающими нагрузками, такими как батареи или бестрансформаторные инверторы (или и то, и другое, как это может иметь место в проектах, связанных с солнечными батареями и хранилищами постоянного тока).Заземление фотоэлектрических панелей имеет большое значение, так как оно позволяет избежать таких условий, как потенциальная индуцированная деградация (PID), которые, как было доказано, значительно снижают выход фотоэлектрических панелей в течение срока службы солнечного проекта. Со стороны нагрузки крупномасштабные аккумуляторные системы хранения энергии должны плавать, чтобы их встроенные системы безопасности работали должным образом. Когда батареи остаются на плаву, требуется две утечки на землю, чтобы вызвать замыкание на землю. Беспрепятственные, необнаруженные замыкания на землю оказались причиной некоторых из самых серьезных возгораний аккумуляторных батарей в отрасли.Таким образом, обнаружение первой утечки на землю является ключом к поддержанию безопасности систем накопления энергии.

Кроме того, изолированный DC-DC преобразователь позволяет плавно комбинировать источники и нагрузки с большой разницей в постоянном напряжении. Это может быть полезно при зарядке батарей от солнечных панелей, которые имеют очень большие различия в постоянном напряжении. Это также может потребоваться при подключении инверторов более высокого напряжения к солнечным панелям более низкого напряжения в тех случаях, когда старые, вышедшие из строя инверторы необходимо заменять в рамках переоснащения фотоэлектрической установки.

Кроме того, по мере того, как системы хранения становятся все больше, возможность безопасной параллельной установки множества преобразователей постоянного тока в постоянный необходима для создания аккумуляторов еще большего размера. Большая емкость на выходе неизолированных повышающе-понижающих преобразователей может создать проблемы с безопасностью, когда несколько устройств размещены параллельно на одной шине постоянного тока. Установка большого количества емкости генерирует много энергии для разряда в случае короткого замыкания, также известного как ток короткого замыкания.

Конечно, изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный не лишен проблем.Первая проблема, которую многие видят, - это потенциальные потери в эффективности преобразования из-за количества преобразований из постоянного тока в переменный и обратно в постоянный. К счастью, в случае с Alencon мы смогли успешно уменьшить эти потери, используя передовую силовую электронику на основе карбида кремния (SiC) в отличие от более традиционных кремниевых компонентов, используемых в устройствах других производителей. Стоимость также может быть рассмотрена. К счастью, здесь, в Alencon, мы также сумели разработать наши продукты таким образом, чтобы их цена была почти на уровне неизолированных устройств, но при этом предоставлялись уникальные преимущества, перечисленные выше.

Преобразователь постоянного тока в постоянный - преобразователь и регулятор постоянного напряжения

Мы являемся производителем преобразователей постоянного тока, регуляторов и преобразователей напряжения питания

Преобразователи постоянного тока

используются по некоторым причинам

Для преобразования входного напряжения в другой уровень напряжения. Новый уровень может быть выше, ниже, инвертирован и / или изолирован. Еще одно применение преобразователей постоянного тока - «подзарядка» постоянного напряжения или сигнала постоянного тока на длинных линиях питания. Важным в этом случае является использование преобразователя широкого диапазона.

Преобразователь постоянного тока в постоянный - с гальванической развязкой

Изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный преобразуют постоянное напряжение на входе в постоянное напряжение на выходе. При этом изоляция между входом и выходом позволяет использовать разные потенциалы. Типичное напряжение изоляции составляет от 500 В до 4 кВ постоянного тока. Более того, изоляция в «худшем случае» предотвращает преобразование входного напряжения в выходное.
Основные преимущества преобразователя с гальванической развязкой
• Допускаются различные входные / выходные потенциалы
• Улучшенная защита оператора

Преобразователь постоянного тока

в нашем магазине


Регулятор DC-DC - без гальванической развязки

голый (т.е. неизолированный ) Преобразователи постоянного тока в постоянный не имеют изоляции между входом и выходом. Следовательно, вход должен иметь тот же потенциал, что и выход. Достоинства контроллера - высокая удельная мощность и высокий КПД за счет уменьшенного количества компонентов.
Основные преимущества неизолированного регулятора
• Очень высокий КПД
• Компактная конструкция

Преобразователь постоянного тока

в нашем магазине


Нерегулируемый преобразователь постоянного тока в постоянный

Нерегулируемые преобразователи постоянного тока в постоянный ток не имеют прямого сравнения между фактическим выходным напряжением и номинальным напряжением.Следовательно, они не имеют возможности напрямую компенсировать падение выходного напряжения, вызванное увеличением нагрузки. Часто используется косвенная регулировка напряжения с типичным регулированием нагрузки от ± 15 до ± 20% от номинального выходного напряжения.
Ключевые преимущества нерегулируемого преобразователя
• Экономичная конструкция
• Компактная конструкция

Преобразователь постоянного тока

в нашем магазине



Преобразователь постоянного тока в постоянный, типоразмеры

Преобразователь постоянного тока DIP8 Размер

Мощность: 1-3 Вт

Преобразователь постоянного тока DIP24 Размер

Мощность: 3-15 Вт

Преобразователь постоянного тока 2x1 "Размер

Мощность: 15-30 Вт

Кирпич четверть

Мощность: 30 - 100 Вт

Полукирпич Размер

Мощность: 50 - 350 Вт

Одиночный / двойной выход

Полноразмерный кирпич

Мощность: 200-700 Вт

Температурная защита

Радиатор

Für Quarter- / Half- / Full-Brick

Гальваническая развязка в электромобилях

поддерживает гальваническую развязку между двумя областями напряжения.

Рисунок 1. Ключевые компоненты электромобиля (Источник: Energy.Gov )

Изоляция критична

На рис. 1 представлена ​​типичная электрическая диаграмма, на которой показан ряд функций, включая тяговый инвертор, климат-контроль и обогрев, а также бортовое зарядное устройство. Эти системы работают при совершенно разных уровнях напряжения и должны быть гальванически изолированы.Гальваническая развязка предотвращает прохождение тока между различными областями напряжения, при этом поддерживая поток данных и мощности.

Исторически гальваническая развязка для передачи данных реализовывалась с использованием оптической технологии с использованием светодиодного источника и фотодиодного приемника. Однако потребности автомобильного рынка в целом и электромобилей в частности стимулировали разработку и внедрение технологий цифровой изоляции.

Вспомогательный источник питания

Вспомогательная система питания обычно управляется специальным модулем, называемым вспомогательным силовым модулем (APM).По сути, это преобразователь постоянного тока в постоянный, который переводит высокое напряжение (ВН) от тягового аккумулятора и преобразователей в низкое напряжение (НН). Эта низковольтная шина питает вспомогательные системы и заряжает аккумулятор 12 В. Первоначально это может показаться относительно простой функцией, однако необходимость гальванической развязки вносит дополнительную сложность.

Во многих топологиях преобразователей постоянного тока используется трансформатор для обеспечения как понижения напряжения, так и гальванической развязки за один шаг. Хотя это эффективный способ изоляции цепей ВН и НН, он требует дополнительных шагов преобразования, чтобы использовать трансформатор.В частности, необходимо преобразовать высоковольтное напряжение из постоянного тока в переменное, а затем низкое напряжение необходимо преобразовать из переменного тока обратно в постоянный. Принципиальная схема на рисунке 2 показывает общую реализацию полного моста.

Рисунок 2: Принципиальная схема APM (Источник: Silicon Labs )

Полный мост преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, поэтому он может возбуждать первичную обмотку изолирующего трансформатора и индуцировать ток в

(PDF) Модульные многофазные преобразователи переменного тока в постоянный с высоким коэффициентом мощности с гальванической развязкой на основе эмуляторов резисторов

по сравнению с ограничениями, налагаемыми этими нормативными актами, при этом измеренные гармоники

значительно ниже этих пределов.

Наконец, КПД преобразователя составляет примерно 88% при максимальной нагрузке

(см. Рис. 16)

VI. ВЫВОДЫ

В данной статье представлен многофазный преобразователь переменного тока в постоянный с гальванической развязкой и очень высоким коэффициентом мощности

(в идеале - 1).

Преобразователь состоит из нескольких (в два раза больше

фаз) RE, которые представляют собой преобразователи постоянного / постоянного тока, управляемые таким образом, чтобы иметь

одинаковое входное сопротивление.Значение этого входного импеданса составляет

, определяемое контуром обратной связи по выходному напряжению, который является контуром обратной связи

всего преобразователя переменного тока в постоянный.

Использование RE в качестве строительных блоков для общего преобразователя AC / DC

позволяет нам не только достичь идеального коэффициента мощности и

THD, но также распределять общую мощность между идентичными преобразователями постоянного / постоянного тока

, которые могут считаться независимыми

устройств.Более того, поскольку мгновенная входная мощность не зависит от времени

, мгновенная выходная мощность не пульсирует

с удвоенной частотой сети, и, следовательно, выходной конденсатор преобразователя

отвечает за удаление только

компонентов частота переключения. Как следствие, этот конденсатор

относительно мал, и контур обратной связи по выходному напряжению

может быть относительно быстрым.

Для реализации

RE может использоваться множество различных топологий питания, и ими можно управлять в соответствии с несколькими стратегиями управления

, которые кратко описаны в этой статье.Более того,

использование RE в качестве строительных блоков преобразователей упрощает

увеличение мощности, обрабатываемой преобразователем в целом, благодаря идеальной доле напряжения и тока

, полученной при последовательном и параллельном подключении RE

.

Наконец, небольшой прототип предлагаемого преобразователя

построен и испытан. Этот прототип основан на шести преобразователях Flyback

, работающих в DCM для достижения поведения RE с использованием

VFC.

VII. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] С. Сингер, «Реализация резистивных элементов без потерь», IEEE Trans. на

Схемы и системы, т. 37, нет. 1, pp. 54-60, Jan. 1990.

[2] С. Сингер и Р. В. Эриксон, «Элемент источника питания и его свойства»,

IEE Proc.-Circuits Devices and Syst., Vol. 141, нет. 3, pp. 220-226, Jun. 1994.

[3] С. Сингер и Р. В. Эриксон, «Каноническое моделирование цепей обработки энергии

на основе концепции POPI», IEEE Trans.по силовой электронике, т.

7, корп. 1, стр. 37-43, январь 1992 г.

[4] Л. Х. Диксон, «Предварительные регуляторы высокого коэффициента мощности для автономных источников питания»,

Семинар по проектированию блоков питания Unitrode, 1988, стр. 6.1-6.16.

[5] М. Дж. Кохер и Р. Л. Штайгервальд, «Преобразователь переменного тока в постоянный с высококачественными входными сигналами

», IEEE Trans. по отраслевым приложениям, т. 19, нет. 4, pp.

586-599, июл / август. 1983.

[6] Р. Эриксон, М.Мэдиган и С. Сингер, «Конструкция простого мощного выпрямителя с коэффициентом

на основе обратноходового преобразователя», Proc. IEEE APEC 1990, стр.

792-801.

[7] Р. Эриксон и Д. Максимович, «Основы силовой электроники»

(второе издание). Kluwer Academic Publishers.

[8] К. М. Смедли и С. Цук, «Одноцикловое управление импульсными преобразователями»,

IEEE Trans. по силовой электронике, т. 10, вып. 6. С. 625–633, ноябрь.1995.

[9] Дж. П. Гегнер и К. К. Ли, «Управление в режиме линейного пикового тока: простой метод управления коррекцией коэффициента активной мощности

», Proc. IEEE PESC 1996, стр.

196–202.

[10] З. Лай и К. М. Смедли, «Модулятор

с постоянной шириной импульса с постоянной частотой и его приложения», IEEE Trans. по схемам и системам I, т. 45,

нет. 4, pp. 386–396, Apr. 1998.

[11] З. Лай и К.М. Смедли, «Семейство контроллеров коррекции коэффициента мощности

с непрерывным режимом проводимости, основанных на общей длительности импульса

. модулятор ».IEEE Trans. по силовой электронике, т. 13, вып. 3, pp. 501-510,

May 1998.

[12] Р. Браун и М. Солдано, «ИС управления одним циклом упрощает конструкции PFC

», Proc. IEEE APEC 2005, стр. 825-829.

[13] Дж. Себастьян, Д. Г. Ламар, М. Ариас, М. Родригес и А. Фернандес,

«Линейное увеличение с управляемым напряжением: метод формирования волны для корректоров коэффициента мощности

», IEEE Trans. по отраслевым приложениям, т.45, nº 3,

pp. 1016-1027, May / Jun. 2009.

[14] Д. Г. Ламар, М. Ариас, А. Родригес, А. Фернандес, М. М. Эрнандо и Х.

Себастьян. «Ориентированный на дизайн анализ и оценка производительности недорогого драйвера светодиода высокой яркости

на основе обратного корректора коэффициента мощности», IEEE

Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, нет. 7, pp. 2614-2626, Jul. 2013.

[15] J. Sebastián, J. Uceda, J. A. Cobos, J. Arau, and F.Алдана, «Улучшение коррекции коэффициента мощности

в распределенных системах электроснабжения с использованием топологий PWM и

ZCS-QR SEPIC». Proc. IEEE PESC 1991, стр. 780-791.

[16] Д. С. Л. Симонетти, Дж. Себастьян и Дж. Учеда, «Пререгуляторы коэффициента мощности SEPIC и Cuk с прерывистой проводимостью

: анализ и проектирование

», IEEE Trans. по промышленной электронике, т. 44, нет. 5, pp. 630-637, Oct.

1997.

[17] M.Бркович и С. Цук, «Формирователь входного тока с использованием преобразователя Cuk», Proc.

INTELEC 1992, стр. 532-539.

[18] Дж. Лазар и С. Цук, «Управление разомкнутым контуром с единичным коэффициентом мощности,

повышающий выпрямитель с прерывистой проводимостью», Proc. INTELEC 1995, стр.

671-677.

[19] К. Х. Лю и Ю. Л. Лин, «Искажение формы сигнала тока в схемах коррекции коэффициента мощности

, использующих повышающий преобразователь прерывистого режима», Proc.IEEE

PESC 1989, стр. 825–829.

[20] В. Дж. Тоттувелил, Т. Г. Уилсон и Х. А. Оуэн, «Анализ и проектирование двухтактного преобразователя

с питанием по току», Proc. IEEE PESC 1981, стр. 192-203.

[21] Б. Сингх, Б. Н. Сингх, А. Чандра, К. Аль-Хаддад, А. Пандей и Д. П.

Котари, «Обзор трехфазных преобразователей переменного тока в постоянный с улучшенным качеством электроэнергии»,

IEEE Пер. по промышленной электронике, т. 51, нет. 3, pp. 641-660, Jun. 2004.

[22] S.Сингер и А. Фукс, «Многофазное преобразование переменного тока в постоянное с помощью резистивных сетей без потерь

», IEE Proc.-Circuits Devices and Syst., Вып. 143,

нет. 4, стр. 233-240, август 1996 г.

[23] У. Камнарн и В. Чункаг, «Анализ и проектирование модульного преобразователя переменного тока в постоянный с тремя фазами

с использованием модуля выпрямителя Cuk с почти единичным мощность

Коэффициент

и быстрый динамический отклик », IEEE Trans. по силовой электронике, т. 24,

нет.8, pp. 2000-2012, Aug. 2009.

[24] Дж. Себастьян, Д.Г. Ламар, М.М. Эрнандо, А. Родригес и А.

Фернандес, «Стационарный анализ и моделирование корректоров коэффициента мощности с

заметная пульсация напряжения в контуре обратной связи выходного напряжения для достижения быстрой переходной характеристики

”IEEE Trans. по силовой электронике, т. 24, вып. 11, pp. 2555–

2566, Nov. 2009.

[25] Х. Себастьян, Д. Г. Ламар, А. Родригес, М. Перес и А.Фернандес, «На

максимальная полоса пропускания, достижимая корректорами коэффициента мощности со стандартным компенсатором

» IEEE Trans. по отраслевым приложениям, т. 46, нет. 4, стр. 1485–

1497, июл / август. 2010.

[26] А. Фернандес, Х. Себастьян, П. Вильегас, М. М. Эрнандо и Д. Г. Ламар,

«Динамические пределы предварительного регулятора коэффициента мощности», IEEE Trans. по Промышленной

Электроника, т. 52, нет. 1, pp. 77-87, Feb. 2005.

[27] Электромагнитная совместимость (ЭМС) - Часть 3: Пределы - Раздел 2: Пределы для

Гармонического излучения тока

(Входной ток оборудования <16 А на фазу),

IEC1000-3-2, 1995.

[28] Проект предлагаемой общей модификации CLC к IEC 61000-3-2

Документ, 2006.

[29] Проект предлагаемой общей модификации CLC к IEC 61000-3-2 / A2

Документа, 2010.

32

Преобразователь постоянного тока в постоянный с высокой гальванической развязкой до 16,8 кВ переменного тока: intreXis

Для некоторых приложений требуются преобразователи постоянного тока в постоянный с очень высокой гальванической развязкой между первичной и вторичной обмотками или между первичной / вторичной обмоткой и землей.Высокие требования к изоляции необходимы из-за высокого потенциала напряжения, присутствующего на первичной или вторичной стороне:

Требования к изоляции:

Для железнодорожных приложений требования к координации изоляции, e.грамм. зазоры и пути утечки указаны в стандарте EN 50124-1. Расчет изоляционных расстояний основан на номинальном напряжении изоляции Unm.

Unm - максимальное постоянное напряжение (> 5 мин) между токоведущей частью оборудования и землей или другой токоведущей частью. Для приведенных выше примеров применения:

  • Для DC / DC-преобразователя, питаемого от тяговой линии, Unm является наивысшим постоянным напряжением в соответствии с EN 50163 (Umax1), которое составляет 900 В постоянного тока для тяговых линий 750 В постоянного тока и 1800 В постоянного тока для 1500 VDC-traction-lines
  • Для преобразователя постоянного / постоянного тока с высоким потенциалом напряжения между выходом и землей Unm ​​- это максимальное постоянное напряжение между выходом и землей.

После определения Unm другие факторы могут значительно увеличить требования к изоляционным расстояниям:

  • Категория перенапряжения: Стандарт EN 50124-1 определяет четыре категории перенапряжения (OV1-OV4), которые характеризуют воздействие оборудования. до перенапряжений.
  • Степень загрязнения: Стандарт EN 50124-1 определяет семь степеней загрязнения (PD1 –PD4B), которые характеризуют воздействие пыли и влажности на оборудование.
  • Поправочный коэффициент высоты: Стандарт EN 50124-1 определяет поправочный коэффициент для безопасных расстояний, если оборудование используется на высоте> 2000 м над уровнем моря.

Чем выше номинальное напряжение изоляции Unm, категория перенапряжения, степень загрязнения и высота над уровнем моря, тем выше требуемые безопасные расстояния.

Кроме того, для оценки качества и срока службы инсоляционной системы необходимо выполнить требования по частичному разряду. Частичный разряд - это локализованные электрические разряды внутри изолирующего барьера, вызванные сильным электрическим полем.

По указанным выше причинам изоляционные расстояния становятся очень высокими, и изоляционный барьер между первичной и вторичной обмотками не может быть преодолен обычными методами, такими как «обычные» трансформаторы для силового тракта и «нормальные» оптопары для регулирующего тракта.
Необходимо использовать специальные методы для преодоления больших изоляционных расстояний.

Компания

intreXis AG решила эту проблему и разработала DC / DC-преобразователи с впечатляющими характеристиками изоляции:

  • Испытательное напряжение изоляции между первичной и вторичной обмотками: до 16.8 кВ переменного тока, 50 Гц, 60 сек.
  • Изоляционные расстояния (путь утечки и зазоры): до 42 мм.
  • Частичный разряд: напряжение погашения частичного разряда> 5,1 кВ переменного тока при Q <10 пКл.

Если у вас есть приложение с высоким напряжением и высокими требованиями к изоляции, свяжитесь с intreXis AG и воспользуйтесь нашим опытом!

>> скачать intreXis Whitepaper Isolation HV-convertters

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *