Конвертерные сборки

16 Конвертерные сборки

16.1 Системы распределенного и централизованного электропитания

До того, как широкое распространение миниатюрных модулей сделало концепцию распределенного электропитания весьма популярной, в основном применялись источники питания со множеством выходов, которые объединялись в централизованные устройства электропитания. Такой источник питания содержал один или несколько инверторных каскадов. Регулируемые выходы получали либо с помощью ШИМ, либо путем использования оконечных линейных стабилизаторов.
Применение гибридных DC/DC конвертеров часто ассоциируется с концепцией распределенного электропитания. Распределенной называется система питания, в которой вместо централизованного источника питания используются локальные конвертеры или стабилизаторы. В распределенных системах все субблоки питаются от общей шины. Модули гибридных DC/DC конвертеров монтируются внутри каждого субблока и локально обеспечивают его всеми необходимыми стабилизированными и отфильтрованными напряжениями.
Однако распределенные системы электропитания вовсе не вытеснили собой централизованные блоки питания, в конструкции которых все чаще стали использовать конвертерные сборки. В некоторых применениях централизованные блоки питания имеют ряд преимуществ. Например, иногда необходимо, чтобы источник питания был физически или электрически изолирован от нагрузки, поскольку нагрузка весьма восприимчива к электрическим помехам или теплоте, которые вырабатывает источник питания.
Поэтому многие пользователи разрабатывают собственные источники централизованного электропитания с использованием готовых DC/DC конвертеров.

16.2 Достоинства и недостатки применения конвертерных сборок

При решении вопроса об использовании готовой конвертерной сборки вместо того, чтобы полностью самостоятельно разрабатывать пользовательский источник питания, необходимо принимать во внимание ряд соображений.
Во-первых, следует проанализировать общее количество необходимых выходов и требуемый от каждого из них уровень мощности. Конвертерная сборка более удобна для реализации большого количества относительно маломощных выходов. В том случае, когда требуется один выход, или небольшое число выходов, мощность которых должна существенно превышать возможности одиночного DC/DC конвертера, использование такой сборки не даст никаких ощутимых преимуществ.
Во-вторых, необходимо оценить количество планируемых к производству изделий и затраты на разработку и освоение производства. Использование конвертерных сборок увеличивает стоимость источника питания по сравнению с обычной конструкцией, но требует намного меньших затрат времени на разработку. Поэтому при необходимости производства небольшого количества изделий, применение гибридных конвертеров обеспечивает значительную экономию средств. Одним из преимуществ является возможность использования уже готовой документации на конвертеры, которую компания MDI всегда готова предоставить пользователю.
В-третьих, источники питания с несколькими выходами, построенные на одном инверторе с последующей индивидуальной стабилизацией выходных напряжений, часто страдают от эффекта перекрестного регулирования (зависимость напряжения на дополнительном выходе от изменения нагрузки на основном выходе). Наличие индивидуального контура регулирования в каждом конвертере обеспечивает гораздо лучшую изоляцию между выходами конвертерной сборки.
В источнике питания с одним инвертором используется меньшее количество компонентов, чем в блоке конвертеров. Однако габариты и вес конвертерной сборки меньше из-за отсутствия промежуточных корпусов и более высокой рабочей частоты преобразования. Кроме того, конвертерная сборка в целом гораздо устойчивее к механическим воздействиям, чем источник питания на базе инвертора, так как малые размеры компонентов гибридного конвертера более устойчивы к вибрации и ударам, чем большие дискретные элементы.

16.3 Дополнительные функции

Помимо улучшения массогабаритных показателей за счет упаковки гибридных конвертеров в один блок, конвертерные сборки могут также обеспечивать выполнение ряда дополнительных функций, рассмотренных ниже.
Коммутация шин. Источники питания часто подключаются к резервируемым шинам электропитания. Подключение входа к нужной шине осуществляется с помощью реле или твердотельного коммутатора. Использование реле ведет к очень крутому фронту нарастания напряжения на входе DC/DC конвертера. В таких случаях, во избежание перегрузки шин питания и повреждения контактов реле, необходимо принятие мер по ограничению пускового тока.
Ограничение пускового тока. При подключении к источнику, который обеспечивает короткое время нарастания напряжения, процесс заряда входного конденсатора внутри DC/DC конвертера сопровождается большими перепадами тока. Минимизация входного пускового тока достигается использованием специальной активной схемы, которая увеличивает время нарастания входного напряжения.
Предохранители. Для защиты входных шин питания от короткого замыкания часто необходимо применение предохранителей, либо автоматических прерывателей (механических, или твердотельных).
Защита от подачи напряжения обратной полярности. Данная функция часто требуется для защиты конвертеров при выполнении тестовых и контрольных процедур. За исключением случаев применения конвертеров в автомобилестроении, использование этой функции в реальных системах практически не встречается.
Удержание входного напряжения. Конвертерная сборка может обеспечивать накопление энергии и поддерживать номинальное напряжение на выходе в течение ограниченных промежутков времени, что позволяет компенсировать короткие провалы и прерывания в подаче входного питания. Данная функция часто требует совместного использования защиты от включения обратной полярности для предотвращения утечки накопленной энергии в обесточенную шину питания.
Дополнительная фильтрация входного напряжения. При использовании в составе одной сборки нескольких синхронно работающих конвертеров, уровни проникающих от них на вход радиопомех складываются алгебраически. Поэтому нередко требуется вводить во входные цепи дополнительную фильтрацию, чтобы обеспечить соответствие конвертерной сборки требованиям спецификаций по электромагнитной совместимости. Однако при этом следует соблюдать осторожность, так как чрезмерное увеличение импеданса цепи, включенной перед ключевым преобразователем, может привести к самовозбуждению («Middlebrook» criteria type oscillation).
Дополнительная фильтрация выходного напряжения. Для обеспечения сверхнизкого уровня выходных пульсаций, к выходам конвертеров внутри сборки могут быть подключены дополнительные фильтры. Требуемый спектральный состав пульсаций достигается применением фильтров соответствующего типа.