Przetwornice DC-DC w aplikacjach profesjonalnych - jak dobierać?

Rys. 1. Konwertery DC-DC w rozproszonym systemie zasilającym

Konwertery DC-DC są głównym komponentem składowym rozproszonych systemów zasilających, zapewniających efektywną konwersję przy niskim poziomie zaburzeń elektromagnetycznych, wyposażonych w kompletne obwody zabezpieczeń przed przeciążeniem i stanami nieustalonymi oraz dostarczających stabilizowanych napięć wyjściowych. Na rysunku 1 pokazano architekturę typowego systemu zasilania rozproszonego z konwerterami DC-DC.

Przetwornice DC-DC dzięki izolacji galwanicznej są w stanie ograniczyć przenikanie sygnałów zakłócających typu wspólnego (common mode), co poprawia stabilność pracy dołączonych układów elektronicznych. Pozwalają też na swobodne dopasowanie napięć zasilających, bo szerokie portfolio tych produktów dostępne na rynku obejmuje wiele wersji napięciowo-mocowych, pozwalających na dobranie dowolnego typowego napięcia wyjściowego od 1,8 do nawet 48 V.

Są też wersje z wyjściem symetrycznym, np. ±15V, ułatwiające zasilanie układów analogowych ze wzmacniaczami operacyjnymi. W takich obszarach konwerter DC-DC zasilany z pojedynczego źródła o napięciu zmieniającym się w szerokim zakresie i dostarczający stabilizowanego napięcia na wyjściu jest po prostu użyteczny.

To samo dotyczy aplikacji rozległych, gdzie pośrednia szyna zasilająca wiele konwerterów biegnie przez wiele urządzeń i napięcie na niej silnie waha się, na skutek zmian obciążenia, połączenia systemu z akumulatorem buforowym i z uwagi na spadek napięcia na długich przewodach. Bez względu na te wahania na wyjściu napięcie jest stabilne, to samo dotyczy sytuacji awaryjnych, gdzie dołączone obciążenie jest chronione przed uszkodzeniem dzięki pracy wbudowanych w konwerter obwodów zabezpieczających.

Projektowanie systemu zasilającego

Rys. 2. Sprawność konwersji w funkcji obciążenia dla typowego konwertera

Projektowanie systemu zasilającego w aplikacjach profesjonalnych powinno bazować na komponentach wykonanych w technologiach istniejących od minimum kilku lat (tzw. dojrzałych). Chodzi o to, aby ograniczyć ryzyko inwestycji w rozwiązanie, które nie zostało wypróbowane przez rynek w dłuższym czasie. Konwertery bazujące na klasycznych topologiach konwersji energii, takich jak zaporowa (flyback), przepustowa (forward) wydają się być cały czas optymalnym rozwiązaniem pod kątem zbalansowania korzyści w stosunku do komplikacji układowych i mogą być zaliczane do tego obszaru.

Wybierając konwertery do aplikacji trzeba dokładnie przestudiować ich karty katalogowe, bowiem dostępne rozwiązania znacznie się różnią ważnymi szczegółami. Przykładem może być sprawność konwersji przy niskim stopniu obciążenia, która dla wielu produktów będących na rynku niestety jest niewielka.

Rys. 3. Sprawność konwersji w funkcji obciążenia przetwornicy Mornsun VRB2412LD-15WR2 - kolano charakterystyki w początkowej części ma zauważalnie ostrzejszy kształt, co przekłada się na wyższą sprawność przetwarzania energii przy niewielkim obciążeniu

Wysoka sprawność zapewnia niewielkie straty mocy, a więc niewielkie nagrzewanie i tym samym dużą niezawodność zasilacza. Ale wiele kart katalogowych podaje wartość sprawności przetwornicy jedynie w odniesieniu do maksymalnego dopuszczalnego obciążenia, bo niestety wartość ta jest znacznie gorsza w pozostałym zakresie.

Tymczasem większość systemów nie wykorzystuje maksymalnej dostępnej mocy i za typowy przypadek można uznać sytuację, że obciążenie wynosi 5-50%, a nie 90-100%. Stąd sprawność konwersji przy małym obciążeniu jest ważnym parametrem selekcji przetwornic DC-DC i zasilaczy w ogóle, może nawet ważniejszym niż ta przy pełnym obciążeniu, na który nie zwraca się jeszcze wystarczającej uwagi.

Takie właściwości mają przykładowe konwertery VRB- 2412LD-15WR2 firmy Mornsun o mocy 15 W, których sprawność konwersji jest o około 15% większa w porównaniu do rynkowej średniej przy napięciu wejściowym 24 V i 10% obciążeniu (rys. 2 i 3). Przekłada się to na obniżenie temperatury wewnątrz ich obudowy o około 14°, co pokazują zdjęcia na rysunku 4, wykonane kamerą termowizyjną.

Szeroki zakres temperatur pracy i wysokiej jakości izolacja

Systemy zasilające pracują w urządzeniach instalowanych w różnych miejscach na świecie, od zimnych rejonów podbiegunowych, po równikowe tropiki. Do takich aplikacji niezbędne są konwertery zdolne do pracy od -40° do +85...105°C, jak chociażby seria R2. W ofercie firmy Mornsun są też rozwiązania zdolne do pracy nawet przy +125°C (CF0505XT-1WR2), a więc już o militarnym zakresie temperaturowym.

Coraz większe wymagania użytkowników dotyczą jakości izolacji pomiędzy stroną pierwotną a wtórną konwerterów. Dobra izolacja musi nie tylko zapewnić odpowiednią odporność na przebicie wysokim napięciem, ale także niski prądu upływu i pojemność między stronami.

Rys. 4. Rozkład temperatur wewnątrz obudowy typowego konwertera spotykanego często na rynku

Rys. 5. Rozkład temperatur wewnątrz obudowy konwertera Mornsun VRB2412LD-15WR2 - jak widać temperatura wewnątrz jego obudowy jest wyraźnie niższa

Jest to podstawowy wymóg związany z dużym bezpieczeństwem, zwłaszcza w aplikacjach medycznych oraz sposób na ograniczenie przenikania przez barierę galwaniczną sygnałów wysokoczęstotliwościowych, w tym szumów, ze strony pierwotnej (od sieci) na wtórną (do obciążenia). Wybrane modele konwerterów firmy Mornsun o mocy 1-2 W mają izolację na poziomie 15 kV przy pojemności własnej 5 pF, co zapewnia możliwość ich użycia w najbardziej odpowiedzialnych zadaniach.

Kompatybilność elektromagnetyczna

Wysoka kompatybilność elektromagnetyczna to inaczej zdolność do prawidłowej pracy konwerterów w środowisku o dużym poziomie zaburzeń EM oraz niska emisja własna związana z procesem impulsowej konwersji mocy. Wiele produktów dostępnych na rynku ma słabe parametry w tym zakresie, co uniemożliwia ich aplikowanie w systemach zasilania układów radiowych, czułej aparatury i przetworników. Warto zauważyć, że konwertery Mornsuna mają lepsze parametry EMC niż wymagają normy.

Niezawodność systemu zasilającego

Poza wysokiej jakości konwerterem zapewnienie niezawodnej pracy całego systemu wymaga zwrócenia uwagi na ten parametr na poziomie aplikacyjnym. Gdy wymagania są duże, warto pomyśleć o redundancji, a więc nadmiarowości zasilania. Osiąga się to przez połączenie równoległe dwóch jednostek tak, że gdy jedna ulegnie uszkodzeniu, druga przejmie jej pracę.

Przykładem może być układ z rysunku 8, gdzie napięcie jest sumowane za pomocą dwóch diod Schottky'ego. Innym sposobem może być przewymiarowanie zasilacza, tak aby nigdy nie wykorzystywał on pełnej mocy przetwornicy, co też korzystnie wpływa na niezawodność. Jest to szczególnie uzasadnione dla jednostek zapewniających wysoką sprawność przy małym obciążeniu, o których była mowa wcześniej.

Rys. 6. Testy emisji EM dla przykładowego konwertera - nie są złe, ale w końcowym odcinku charakterystyki dla górnych częstotliwości widać, że norma jest nieznacznie przekroczona

Rys. 7. Testy emisji dla konwertera Mornsun URF1D24QB-100 W - jak widać norma wyznaczana przez czerwoną linię na wykresie nigdy nie jest przekroczona i parametry spełnione są z zapasem

Niezawodny system zasilający to także taki, gdzie obwody ochronne nie pozwalają na uszkodzenia zasilacza i zasilanego urządzenia bez względu na okoliczności. Skuteczność działania zabezpieczeń można przedstawić na przykładzie konwertera DC-DC URB1D_LD-20W o mocy 20 W przeznaczonego do aplikacji transportu szynowego. Jest on w stanie spełnić wymagania EN50155 przy napięciu wejściowym przekraczającym 1,4 raza napięcie wejściowe. Co więcej, po dodaniu dodatkowego obwodu ochronnego na wejściu zasilacz wytrzymuje 3,5 Uwe przez 20 ms.

Rys. 8. Zasilacz z redundancją bazujący na połączeniu równoległym dwóch konwerterów. Napięcie wyjściowe jest sumowane za pomocą diod Schottky'ego

Badania producentów przekonują, że 15% awarii zasilaczy jest spowodowanych złym chłodzeniem, spowodowanym np. zbyt ciasnym montażem lub zabudowaną obudową niezapewniającą dobrej wentylacji. Planując rozkład komponentów na płytce lub w obudowie, trzeba pamiętać o konieczności zapewnienia dobrego przepływu powietrza (brak przesłaniania korytarzy powietrznych) oraz takim rozłożeniem dużych urządzeń wewnątrz obudowy, aby nie podgrzewały się wzajemnie. Jest to o tyle istotne, że obecnie większość urządzeń nie korzysta z wentylatorów.

Warto przypomnieć, że płytka drukowana jest dzisiaj elementem rozpraszającym ciepło, dlatego powierzchnie miedzi dla doprowadzeń, a zwłaszcza masy jednostki zasilającej, powinny być jak największe. Konwerter należy też montować pionowo na dole płytki, dzięki czemu nie zaburza on wentylacji.

Planując połączenia oczywiście należy minimalizować pola pętli, jakie tworzą ścieżki zasilające po to, aby nie pogłębiać problemów z EMC. Z uwagi na bezpieczeństwo użytkowania odstęp pomiędzy mozaiką połączeń dołączonych do strony pierwotnej a wtórnej musi być odpowiednio duży, najlepiej większy od tego, który podają normy takie jak np. UL60950. Jak widać zagadnień aplikacyjnych wpływających na niezawodność systemu zasilającego jest dość dużo i nie można ich lekceważyć.

Micros sp. j. W. Kędra i J. Lic
www.mornsun-power.com