Konwertery Mornsun R3 - wysoka sprawność w każdych warunkach

Komponenty złożonych systemów zasilających, takich jak przetwornice DC-DC w znaczący sposób wpływają na ogólną sprawność energetyczną urządzeń, gdyż zwykle jest ich w układzie stosunkowo dużo. Przykładem może być tutaj moc pobierana przez takie jednostki zasilające bez obciążenia (standby), która sumuje się z każdym kolejnym konwerterem wchodzącym w skład rozległego układu zasilania i znacznie obniża wypadkową sprawność systemu.

Większość układów cyfrowych lub urządzeń komunikacyjnych pobierają energię ze źródła nierównomiernie, przez większość czasu elementy te pozostają w uśpieniu i praktycznie nie czerpią prądu zasilającego przez resztę czasu, a więc gdy są aktywne, pobierają prąd o stosunkowo dużym natężeniu.

Innymi słowy, ten normalny czas, gdy jednostka zasilająca obciążona jest znamionową mocą obciążenia, jest krótki, a czas, gdy zasilacz pozostaje w stanie gotowości, jest za to długi. Prowadzi to do takich implikacji, że sprawność konwerterów i zasilaczy przy obciążeniu znamionowym staje się mniej istotna z punktu widzenia bilansu energetycznego od tej, jaką konwerter ma w zakresie małych obciążeń.

Nowe konwertery DC-DC R3

W przypadku rozwiązań kierowanych do przemysłu większość popularnych przetwornic o mocy wyjściowej 6 watów pobiera 12-15 mA ze źródła wejściowego 24 V w stanie bez obciążenia. W nowych konwerterach Mornsuna w analogicznych warunkach prąd ten wynosi tylko 4-5 mA, co oznacza, że moc standby w tym przypadku wynosi jedynie 0,12 W. Może to wydawać się niewielką wartością w przypadku, gdy źródłem energii jest sieć energetyczna, ale w przypadku zasilaczy bazujących na bateriach lub takich sieciowo-bateryjnych już tak.

Co więcej, większość przetwornic DC-DC, jakie mamy na rynku, pracuje w szerokim zakresie napięć wejściowych, np. 4:1 lub szerszym. Niemniej jednak nie oznacza to, że dobre parametry sprawnościowe elementy te mają w całym zakresie napięć wejściowych. Zwykle przy niższych napięciach wejściowych sprawność znacząco się pogarsza i szacowanie całościowej sprawności systemu zasilającego staje się dość trudne.

W przypadku serii przetwornic R3 producent dopilnował, aby niski pobór prądu ze źródła zasilania dotyczył całego zakresu napięć wejściowych od 9 do 36 V. Dla przykładowej jednostki 6-watowej oznacza to, że prąd zasilający wynosi 5-6 mA dla niewielkich napięć wejściowych, 4-5 mA dla zasilania nominalnego i 2-3 mA dla wysokich napięć wejściowych. Oczywiście bez obciążenia. Jak widać, różnice nie są tutaj duże.

Wpływ temperatury

Niska sprawność w stanie pracy bez obciążenia prowadzi dodatkowo do wzrostu temperatury obudowy przetwornicy i niestety wpływa znacząco na pogorszenie niezawodności całego systemu, zwłaszcza w rozwiązaniach pracujących w warunkach słabej wentylacji lub w zamkniętej obudowie. Przykładem mogą być tutaj aplikacje militarne.

Gdy moc pobierana przez obciążenie wynosi 1 W, wielu klientów kupuje do ich zasilania 6-watową jednostkę, licząc, że nie będzie ona zbytnio wysilona i zapewni długi czas eksploatacji. Przy zasilaniu nominalną wartością napięcia wejściowego i mocy wyjściowej 1 W przy temperaturze otoczenia +25°C temperatura wewnątrz obudowy wzrasta do 44°C. A przy temperaturze otoczenia 85°C rośnie aż do 103°C. Efektem jest spadek niezawodności.

Z powyższych argumentów wynika, że taki konwerter bez obciążenia ma tylko 40-procentową sprawność i pobiera ze źródła więcej mocy niż te 1 W jego obciążenia. 1,5 wata mocy strat w elementach zamkniętych w małej obudowie w tym przypadku musi przekładać się na spory wzrost temperatury i na ograniczenie niezawodności.

Dla równoważnego funkcjonalnie konwertera firmy Mornsun z serii R3 sprawność w tych warunkach wynosi 75%, zatem moc tracona w przetwornicy dla 1 W mocy obciążenia to tylko 0,33 W. To niewiele, więc wzrost temperatury będzie o 10°C mniejszy i praktycznie bez negatywnego oddziaływania na niezawodność. 75-procentowa sprawność to wynik o 35% lepszy niż średnia dla większości przetwornic kierowanych do takich zastosowań.

Poza samymi niepotrzebnymi stratami energii, wzrost temperatury obudowy powoduje szereg dodatkowych problemów z bezpieczeństwem użytkowania, co jest ważne w zastosowaniach w górnictwie, instalacjach przetwórczych, w których występują palne gazy i podobnych aplikacjach. W tych obszarach duży wzrost temperatur obudowy jest zawsze niepożądany.

Konwertery DC-DC Mornsuna z serii R3 zostały zoptymalizowane od strony układowej pod kątem strat mocy oraz dodatkowo producent zastosował rozwiązania mechaniczne poprawiające rozpraszanie ciepła i zintegrował radiator z obudową. Nie ma konieczności instalacji dodatkowych elementów chłodzących, co zawsze jest problemem, bo taki radiator trzeba jakoś zamocować mechanicznie, połączyć go cieplnie z obudową i co najważniejsze, sprawić, że to mocowanie i połączenie będzie skuteczne przez długi czas. Konwerter, którego rozwiązanie mechaniczne nie wymaga instalacji żadnego dodatkowego systemu rozpraszania ciepła, jest też wygodniejszą opcją dla konstruktorów.

Podsumowanie

Nowa seria R3 konwerterów DC-DC o dużej sprawności wyróżnia się niskim poborem mocy w stanie bez obciążenia (standby) rzędu 0,12 W i jednocześnie dużą sprawnością przy niewielkim obciążeniu oraz w pełnym zakresie napięć wejściowych. Zapewnia to minimalny wzrost temperatury wewnątrz obudowy systemu w takich warunkach i większą niezawodność całości urządzenia.

Konwertery te pracują z napięciem wejściowym zmieniającym się w zakresie 4:1, mają izolację galwaniczną między wejściem a wyjściem 1500 oraz 3000 V_DC i pracują w zakresie temperatur od -40 do +85°C. Przetwornice pracują stabilnie z obciążeniem o charakterze pojemnościowym i mają w pełni zabezpieczone obwody gwarantujące bezawaryjne działanie.

Sprawność konwersji przekracza 70% dla obciążeń do 10% i jest rzędu 80-90% dla obciążenia 10-100%. Konwertery z serii R3 spełniają specyfikację UL/EN 60950 i są dostępne o mocach wyjściowych 3, 6, 10, 20 i 30 watów, w dwóch wersjach dla napięcia wejściowego 9-36 V i 18-75 V i o pojedynczym napięciu wyjściowym 3,3, 5, 9, 12, 15 i 24.

Więcej informacji na temat zaprezentowanych konwerterów, szczegółowe karty katalogowe i noty aplikacyjne można uzyskać od autoryzowanego dystrybutora firmy Mornsun w Polsce - firmy Micros. Na stronie www.micros.com.pl znaleźć można katalogi i dane techniczne na temat konwerterów R3.

Micros sp.j. W. Kędra i J. Lic
www.micros.com.pl