Источники питания из готовых компонентов и модулей

Проектировщику любого устройства рано или поздно приходится решать вопрос организации электропитания разрабатываемого устройства. В основном существуют три возможности.
1. Разработать источник питания (ИП) самостоятельно, используя серийно выпускаемые компоненты.
2. Приобрести готовый модуль DC/DC- или AC/DC-преобразователя и встроить его в свое устройство.
3. Использовать функционально и конструктивно завершенный источник питания.
Ниже анализируются первые два варианта, причем основное внимание уделено функционально (но не конструктивно) завершенным модулям, либо в открытом исполнении, либо предназначенным для впаивания в плату. В настоящей статье рассматриваются возможности построения ИП из готовых компонентов и модулей, при этом инженеру-схемотехнику не требуются фундаментальные знания в области силовой электроники и преобразовательной техники, но достаточно справочной информации компании-изготовителя, имеющейся в свободном доступе. Именно поэтому за рамки обзора вынесены источники питания большой мощности.
Также не рассматриваются проблемы устойчивости работы ИП, возникающие из-за комплексного характера нагрузки. Если не предусмотреть защиту от импульсных помех и перенапряжений в сети, то ИП обречен на выход из строя. Методы защиты подробно рассмотрены в статье [1], и более мы не будем на них останавливаться.

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ НА ОСНОВЕ ГОТОВЫХ КОМПОНЕНТОВ

Вряд ли существуют признаки, руководствуясь которыми возможно принять решение о методах создания ИП — из серийно выпускаемых компонентов или из готовых модулей. Среди соображений, которые следует принимать во внимание при выборе того или иного способа создания ИП, можно указать следующие: квалификация и опыт разработчиков, срок разработки, стоимость изделия и возможности производства. На наш взгляд, существуют два важных критерия, позволяющих сделать выбор:
– способ охлаждения ИП;
– топология системы питания.
Если для охлаждения ИП необходима принудительная вентиляция или требуется использовать радиаторы с большой поверхностью охлаждения, то следует сделать выбор в пользу готовых модулей, так как принудительное охлаждение обычно вызывает наибольшие трудности при конструировании ИП. В этом случае специальные знания требуются не только инженеру-схемотехнику, но и конструктору необходимо иметь дополнительные навыки проектирования устройств с принудительным охлаждением. В случае, когда предполагается применение распределенной системы питания, лучше воспользоваться разработанной архитектурой подобных систем и унифицированными модулями для них.

Начнем анализ с источников питания, созданных на основе DC/DСпреобразователей. Сейчас мы не будем рассматривать способы получения постоянного напряжения, подаваемого на вход DC/DС-преобразователя.
Заметим лишь, что при мощности источника питания не более 15…20 Вт и отсутствии жестких ограничений на габаритные размеры, на наш взгляд, вполне логично выглядит использование сетевого трансформатора и обычного диодного выпрямительного моста.
Такое решение имеет два преимущества: цена и надежность. Очевидны и недостатки — массогабаритные показатели. Разумеется, таким же образом можно получить постоянное напряжение и для источника питания большей мощности, но по мере увеличения мощности заметно возрастают масса и размеры трансформатора, поэтому стоит задуматься о применении AC/DC-преобразователя.
Рекомендуемую электрическую схему источника питания, созданного из готовых компонентов, можно найти в любом техническом описании компании-изготовителя, например в [2, 3]. В источник питания, разработанный таким образом, в общем случае входят следующие компоненты:
– контроллер ключевого регулятора;
– силовые ключи и диоды;
– дроссель выходного фильтра;
– электролитические конденсаторы выходного фильтра;
– внешние компоненты — резисторы
и керамические конденсаторы, габариты которых не превышают 0805.
Встречаются варианты, когда силовые ключи и контроллер объединяются на одном кристалле, например МАХ724, — DC/DC-преобразователь с максимальным выходным током 5 А. В этом случае возможна экономия места на печатной плате, но стоимость компонента выше, нежели чем суммарная стоимость контроллера и силового ключа, да и параметры встроенного транзистора — сопротивление канала и динамические характеристики — хуже, чем у дискретного транзистора. Поэтому при токах свыше 3 А для охлаждения преобразователя МАХ724 скорее всего понадобится радиатор.

Производится большое число контроллеров — от простых нерегулируемых, с фиксированным выходным напряжением, без обратной связи, до регулируемых контроллеров с режимом пониженного энергопотребления, ограничением выходного тока (токовый сигнал снимается либо с отдельного шунта, либо в качестве шунта используется сопротивление канала открытого транзистора), входами «Power good», детекторами разряда батарей (используются при наличии резервного питания) и т.д.
Практически невозможно привести перечень всех производимых сегодня DC/DC-контроллеров, поэтому ограничимся перечнем наиболее известных компаний-изготовителей, продукцию которых легко приобрести на российском рынке: Maxim, National Semiconductor, ON Semiconductor, Texas Instruments.

В документации приведены электрические схемы для возможных случаев включения и топология фрагмента печатной платы. Практически в каждом руководстве указаны методы расчета и выбора силовых ключей, дросселей и конденсаторов фильтра. Отметим лишь два момента, на которые требуется обратить внимание. Иногда в электрической схеме, приводимой в документации, в цепочку обратной связи, образуемой простым резистивным делителем напряжения, вводится керамический конденсатор небольшой емкости. Обычно на схеме указаны номинальные значения и сопротивлений, и емкости.
Вполне возможно, номиналы резисторов могут быть изменены разработчиком, хотя бы для того чтобы унифицировать их с другими резисторами на печатной плате. При этом надо не забыть и изменить величину емкости конденсатора, так, чтобы постоянная времени цепи обратной связи не изменилась.
Желательно, чтобы эта величина не превышала длительности периода рабочей частоты преобразователя.
В противном случае из-за запаздывания в цепи обратной связи возможна неустойчивая работа преобразователя. Уменьшать помехи в цепи обратной связи следует не за счет введения фильтра, а за счет топологии. Попытки повысить помехоустойчивость и стабилизировать работу преобразователя посредством увеличения постоянной времени в цепи обратной связи приведут к противоположному результату!

Второе обстоятельство, о котором обязательно следует упомянуть, заключается в методе расчета динамических потерь в силовых ключах. Силовая часть преобразователя состоит либо из полного плеча моста (верхний и нижний ключи являются транзисторами), либо только верхний ключ является транзистором, а вместо нижнего ключа используется диод Шоттки.
Поэтому для общности рассмотрим потери в верхнем ключе. Начнем со статических потерь, величина которых определяется следующим образом [2]:

где P_s — статическая мощность рассеиваемая силовым ключом; D = V_out/V_in — коэффициент заполнения (duty cycle); V_out — выходное напряжение преобразователя; V_in — входное напряжение; R_DS(ON) — сопротивление канала силового ключа в открытом состоянии; I_L — ток нагрузки.

В формуле (1) рекомендуется использовать величину R_DS(ON) при температурах, близких к максимальным значениям. Соотношение (1) в том или ином виде приводится в документации всех компаний-изготовителей, и какие-либо разночтения по способу вычисления мощности потерь в статическом режиме отсутствуют. Но соотношения для вычисления мощности потерь в динамическом режиме при переключении силового ключа различаются существенно. В руководстве [2] компании Maxim мощность потерь на переключение предлагается вычислять из соотношения (2):

P_SW = (V_inI_LТ_SWf_SW)/3, (2)

где P_SW — мощность потерь при переключении; Т_SW — время переключения ключа; f_SW — частота переключения.

В документации [3] компании National Semiconductor, а также в документации компании Texas Instruments аналогичное соотношение имеет другой вид:

P_SW = V_inI_LТ_SWf_SW. (3)

Результаты вычислений по формулам (2) и (3) отличаются в 3 раза, это недопустимо много, особенно учитывая, что при частотах свыше 200 кГц, как правило, превалируют динамические потери. На наш взгляд, следует руководствоваться соотношением (2).

Рассмотрим процесс переключения ключа, полагая, что ток и напряжение изменяются по линейному закону:

I(t) = I_L(1 – t/Т_SW),
V(t) = V_in(t/Т_SW), (4)

где I (t) — текущее значение тока в момент выключения ключа; V(t) — текущее значение напряжения в момент выключения ключа. Энергия динамических потерь за время выключения ключа определяется из формулы

Формула (5) определяет потери при выключении транзистора, но точно такой же результат будет получен и при включении транзистора — соотношения (4) «инвертируются»: возрастает ток, а напряжение уменьшается.
Соответственно энергия потерь на переключение, рассеиваемая за один период рабочей частоты, составит:

Е_SW = (V_inI_LТ_SW)/3. (6)

Тогда действительно мощность динамических потерь определится из выражения (3). Иногда можно встретить формулы вычисления динамической мощности потерь, в которых вместо величины Т_SW используется значение заряда затвора. Строго говоря, этот способ более корректен, однако в обоих случаях результаты получаются очень близкие.
Выбрав конкретный тип транзистора и используя соотношения (1) и (2), вычисляется полная мощность потерь силового ключа. На основании полученных результатов принимается решение о способах охлаждения источника питания.

На наш взгляд, разработка источника питания мощностью до 50…70 Вт в общем случае не вызовет серьезных затруднений.
При больших мощностях следует отдать предпочтение n-канальным силовым ключам, которые при прочих равных условиях имеют два преимущества перед p-канальными транзисторами. Во-первых, сопротивление канала n-канального ключа меньше, чем у аналогичного p-канального, а значит, и меньше мощность статических потерь (см. соотношение (1)). Во-вторых, n-канальные ключи доступны в корпусе DirectFet, имеющем крайне низкое тепловое сопротивление, а p-канальные ключи в таком корпусе не производятся. Сегодня возможно выбрать DC/DC-контроллер и с n-канальным драйвером для верхнего ключа, например LM3485, и с p-канальным драйвером верхнего транзистора, например MAX4585.

Многое из вышесказанного можно отнести и к AC/DC-преобразователям, особенности применения которых очень подробно изложены в [4]. Высокочастотный трансформатор, входящий в состав преобразователя, может быть выбран, например, из номенклатурного перечня компании Premier Magnetic [5].

Говоря о AC/DC-преобразователях, нельзя не упомянуть ключи компании Power Integration [6]. На основе этих ключей, используя минимум внешних компонентов, возможно построить источник питания мощностью до 200 Вт (см. рис. 1).

Если требования к стабильности выходного напряжения невелики, например при питании различных сервомеханизмов, то отказ от оптрона в обратной связи удешевит решение.

РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ

Распределенные системы питания (РСП) являются отдельным самостоятельным приложением, рассмотреть которое в рамках раздела одной статьи невозможно. Поэтому мы коснемся лишь основных вопросов по строения РСП на примере известных на российском рынке компаний Vicor и Power-One. Классический фрагмент РСП показан на рисунке 2, заимствованном из [7]. Не все компании используют промежуточную шину (в англоязычной транскрипции: Intermediate Bus Architecture — IBA), например в IBM отказались от ее использования, а значит, и от использования шинного преобразователя. Если шина IBA все же используется, то номинальное напряжение на ней, в зависимости от области применения, обычно выбирается из ряда: 12, 24, 28, 48 В. Но POL-преобразователь является обязательной частью РСП. Аббревиатура POL означает Point Of Load, что в данном контексте, наверное, можно перевести как «локальный». Для POL-преобразователя характерны следующие особенности: небольшой разброс входного напряжения (обычно не более 10% от номинального значения), повышенная частота преобразования, улучшенные силовые ключи, КПД преобразователя достигает величины 95 — 96%. Обычно преобразователь размещается в небольшом корпусе (SMT или SIP).

Выходной ток отдельных моделей преобразователя может достигать 100 А при напряжении 1 В.
POL-преобразователь должен располагаться максимально близко к нагрузке.

Одинаковые принципы построения РСП могут быть реализованы различными способами. Компания Vicor разработала свою технологию РСП — так называемую Factorised Power Architecture (FPA), реализуемую с помощью ею же разработанных компонентов V•I Chips (VICs) [8].

Технология FPA предполагает распределение функций преобразователя по отдельным конструктивным модулям. Перечислим их:
– модуль трансформатора VTM, обеспечивающий гальваническое разделение, коммутируемая мощность до 300 Вт, КПД до 92%;
– модуль PRM предварительного регулирования напряжения: мощность до 240 Вт, КПД свыше 96%;
– преобразователь IBC промежуточной шины с напряжением 3…48 В: мощность до 600 Вт, КПД свыше 96%;
– преобразователь BCM шины с входным напряжением 38…55 В: мощность до 300 Вт, КПД свыше 96%.
Используя эти модули возможно построить РСП с различной архитектурой.

Примеры показаны на рисунке 3 (а и б), заимствованном из [8].

По иному образует РСП компания Power-One. Ее фирменная архитектура Z-One представлена на рисунке 4.

Стратегия компании заключается в объединении в одном компоненте и модуля преобразования энергии, и модуля управления преобразованием.
К одной шине управления подключаются до 32 цифровых Z-POL-преобразователей, входное напряжение которых может изменяться в диапазоне 3…13 В, а выходное — программируется в пределах 0,5…5,5 В. Помимо выходного напряжения программируются последовательность включения модулей, пороги включения защиты и т.д. Программирование производится через графический пользовательский интерфейс GUI. Более подробное описание цифровой РСП Z-One можно найти в [9].

Помимо кратко описанных выше модулей, обе компании выпускают и AC/DC-преобразователи, и входные EMI-фильтры, и другие модули, необходимые для построения РСП.
Следует помнить, что при больших протяженностях шин питания в случае наброса (сброса) нагрузки, например при отключении или включении части системы, возможны переходные процессы, сопровождающиеся значительными выбросами напряжения. Поэтому если модули, входящие в состав РСП, не имеют защиты от перенапряжения, то необходимо использовать так называемые контроллеры горячего переключения (hot swap контроллеры).

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ НА ОСНОВЕ ГОТОВЫХ МОДУЛЕЙ

Обычно изготовитель указывает два значения мощности — при применении принудительной вентиляции и при отсутствии таковой. В остальном разработка ИП при применении готовых модулей заключается в подключении проектируемой системы к покупному модулю. В таблице 1 приведены серийно выпускаемые модули DC/DC-преобразователей, в таблице 2 — серийно выпускаемые модули АC/DC-преобразователей. В таблицах приведены модули, предназначенные либо для впаивания в плату, либо в открытом исполнении (open frame), для установки в конструктив разработчика. Разумеется, в таблицах перечислены не все выпускаемые изделия, а лишь наиболее характерные из них.

Некоторые изготовители придерживаются унифицированных размеров преобразователей. Единицей размера является блок (brick), от которого исчисляются производные единицы:
– блок (brick): 116,8 x 61,0 x 12,7 мм;
– 1/2 блока (brick): 57,9 x 61,0 x 12,7 мм;
– 1/4 блока (brick): 57,9 x 36,8 x 9,53 мм;
– 1/8 блока (brick): 57,9 x 22,8 x 8,52 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сегодня на рынке присутствуют компоненты, на основе которых можно создать ИП мощностью до 50ѕ70 Вт, руководствуясь лишь документацией изготовителя, не прибегая к помощи профессионального разработчика ИП. При мощности ИП свыше 50…70 Вт, возможно, следует применить ИП на основе серийно выпускаемых модулей.

ЛИТЕРАТУРА
1. Белкин Александр, Самарин Александр. Защита линейных цепей телекоммуникационной аппаратуры//Электронные компоненты. 2005. №2.
2. pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/
3. cache.national.com/ds/LM/
4. www.onsemi.com/pub/Collateral/
5. www.premiermag.com/powermag.htm
6. www.powerint.com/PDFFiles
7. Davis Sam. POL power sypplies come in many flavors//EDN 02.17.05.
8. www.vicr.com/products/vichip/fpa/flexible_power/
9. www.power-one.com/products/Z.html.