Руководство по применению конвертеров

1 Руководство по применению конвертеров

Настоящее Руководство содержит техническое описание полнофункциональных гибридных преобразователей постоянного тока компании Modular Devices Inc и необходимые для их применения данные. Гибридные преобразователи (конвертеры) обладают преимуществами в размерах, весе и рабочих характеристиках перед устройствами на дискретных компонентах или с монтажом на поверхность.
В Руководстве описано функционирование и применение гибридных конвертеров, которые выпускаются в настоящее время для четырех диапазонов входных напряжений. Для систем с номиналом 28 В предлагаются модели (перечисляются в порядке возрастания мощности) 2690, 3107, 2680, 3193 и 3031. Эти же конвертеры реализованы с инверсной функцией запрета (Inhibit Not), как модели 6690, 6107, 6680, 6193 и 6031. Для систем с номиналом 120 В предназначены модели 3070, 3108, 3060, 3326 и 3051, а для низковольтных систем диапазона 8–40 В разработаны полнофункциональные конвертеры моделей 3062, 3113, 3063 и 3114.
Специальная серия Proton Rad Hard предназначена для космических систем с повышенными требованиями по радиационной стойкости. В состав серии входят модели 5690, 5107, 5680, 5193 и 5031 для систем с номиналом 28 В, модели 7690, 7107, 7680, 7193 и 7031 для систем с номиналом 50 В, модели 8690, 8107, 8680, 8193 и 8031 для систем с номиналом 70 В, а также модели 9690, 9107, 9680, 9193 и 9031 для систем с номиналом 100 В.
Присущие гибридным ключевым конвертерам преимущества объясняют их широкое применение в самых различных системах, включая авиационные, космические, ракетные и подводные. Эти преимущества включают малый размер и вес, полную герметизацию, исключающую воздействие внешней среды, превосходную гальваническую и высокочастотную развязку, легкость установки на теплоотводящий радиатор только одного модуля вместо множества компонентов. Гибридные конвертеры позволяют наилучшим образом обеспечить заданный уровень радиопомех, выходных пульсаций и высочайшую надежность.
Под полной функциональностью компания подразумевает наличие в гибридных конвертерах множества прежде отсутствовавших полезных функций. Наиболее важной особенностью конвертеров MDI является наличие встроенного фильтра подавления радиопомех (EMI filter), обеспечивающего соответствие уровню требований военного стандарта MIL-STD-461.
В конвертерах предусмотрены синфазная фильтрация на выходе, программируемый плавный запуск, защита от перенапряжений при разомкнутой петле обратной связи, вход внешней синхронизации, вход запрета.

1.1 Конструкция

Гибридные конвертеры компании Modular Devices представляют собой герметизированные модульные источники питания, изготовленные на керамических толстопленочных подложках. В стандартных системах при питании конвертеров от силовых шин внешние компоненты не требуются. Все необходимые индуктивные компоненты, конденсаторы и фильтры размещены внутри модуля. Такая конструкция позволяет выдерживать жесткие условия эксплуатации. Все индуктивные компоненты выполнены в форме тороидов с наружными обмотками, что обеспечивает лучшее рассеивание тепловой энергии, чем в случае применения обычных ферритовых сердечников. Резисторы реализованы в основном непосредственно на толстопленочной подложке, однако в необходимых случаях использованы отдельные дискретные компоненты.
За исключением ключевых полевых транзисторов, принципиально применяются биполярные активные элементы, что позволяет использовать одну и ту же топологию для обычных и радиационно-стойких модулей, которые в таком случае отличаются лишь типом компонентов.
Предлагается широкий выбор корпусов модулей как для монтажа на печатные платы, так и на шасси. Также возможен выбор способа герметизации корпуса — пайкой или сварным швом.

1.2 Особенности и спецификации

Полнофункциональные гибридные конвертеры MDI построены по обратноходовой (flyback) схеме с рабочими частотами 200 или 300 кГц. Данный тип конвертеров особенно хорошо подходит для работы в широком диапазоне входных и выходных напряжений. Рабочий диапазон входных напряжений — 5 : 1 для низковольтных серий конвертеров и 1,67 : 1 для серий с номиналом 270 В.
Диапазон входных напряжений традиционных 28-вольтовых конвертеров соответствует ограничениям стандарта MIL-STD-704A.
Конвертеры серии «V» устойчивы к перенапряжениям величиной 100 В по требованиям стандарта MIL-STD-1275.
Для всех конвертеров электрическая прочность изоляции на постоянном токе между входом и корпусом — 500 В, между выходом и корпусом — 100 В, между входом и выходом — 500 В.
Все полнофункциональные модули содержат не только входные фильтры подавления радиопомех, удовлетворяющие требованиям стандарта MIL-STD-461, но и выходные синфазные фильтры для подавления выбросов напряжения.
Гибридные модули имеют следующие схемотехнические особенности:
– ограничение тока по каждому выходу;
– программируемый плавный запуск при включении;
– защиту от перенапряжений при разомкнутой петле обратной связи:
– вход запрета;
– вход внешней синхронизации;
– сигнал внутреннего состояния.
Для всех функциональных входов и выходов, исключая подстройку выходного напряжения и обратную связь с нагрузки, опорным уровнем является напряжение общего входа питания (Input Return).

1.3 Входные характеристики

1.3.1 Пусковое напряжение

Запуск конвертеров при температуре окружающей среды 25 °C и отсутствии нагрузки происходит после достижения входным напряжением следующих приблизительных пороговых значений:
11 В — для 28-вольтовых и серии 5000;
30–40 В — для 120-вольтовых;
80 В — для 270-вольтовых;
9,5 В — для низковольтных (8–40 В);
25 В — для серии 7000;
40 В — для серии 8000;
55 В — для серии 9000.
Ограничений по скорости нарастания входного напряжения нет. Выход ненагруженного конвертера на режим стабилизации происходит при превышении напряжения запуска приблизительно на 10–20 %. После запуска конвертера, по мере роста входного напряжения, выходное напряжение монотонно растет.
Дополнительные схемы контроля напряжения и блокировки системы при запуске конвертеров не требуются и являются нежелательными.

1.3.2 Диапазон в стационарном режиме

Конвертеры с номиналом 28 В проектировались для стационарного режима в диапазоне входных напряжений по MILSTD-704 (A–E), но сохраняют работоспособность в расширенном диапазоне 16–50 В. Устойчивость к перенапряжениям величиной 80 В для них является нормативной. Конвертеры серии «V» устойчивы к перенапряжениям величиной 100 В (согласно требованиям стандарта MIL-STD-1275).
Конвертеры с номиналом 120 В проектировались для стационарного режима в диапазоне входных напряжений Международной космической станции (МКС), но сохраняют работоспособность в расширенном диапазоне 86–158 В.
Конвертеры с номиналом 270 В проектировались для стационарного режима в диапазоне входных напряжений по MIL-STD-704 (D, E), но сохраняют работоспособность в расширенном диапазоне 200–335 В и устойчивы к перенапряжениям 440 В.
Конвертеры с номиналом 8–40 В проектировались для особых систем космических аппаратов с низковольтными шинами питания и могут применяться в диапазоне напряжений MIL-STD-704 только с внешними ограничивающими цепями. Устойчивость к перенапряжениям не превышает 40 В.
Из-за оптимизированных трансформаторов конвертеры с номиналом 8–40 В при полной нагрузке требуют на входе минимального напряжения 18 В. Однако при чуть меньшей нагрузке допустимо напряжение 16 В. Для полностью нагруженных конвертеров с подстройкой или обратной связью входной минимум несколько увеличен. По специальному заказу доступны модули с пониженным напряжением питания.
На границах температурного диапазона при полной нагрузке минимальное напряжение может на нескольких процентов увеличиваться.

1.3.3 Обратная полярность

Конвертеры не имеют встроенной защиты от обратной полярности входного напряжения — в этом случае ток протекает через имеющиеся в ключевых полевых транзисторах шунтирующие диоды с номинальным током от 1 А в маломощных до 10 А в 80-ваттных модулях. Схемы управления конвертеров защищены последовательным диодом. Входные конденсаторы неполярные.
Установка на входе питания конвертера внешнего диода требует осторожности, поскольку при этом возможно выпрямление импульсных помех, особенно в маломощных конвертерах с низкой нагрузкой. Опасность заключается в постепенном повышении напряжения на конденсаторах фильтра с последующим отказом.

1.3.4 Перенапряжения и выбросы

Практически каждый конвертер, функционирующий в составе бортовых космических, авиационных, ракетных, наземных и морских энергосистем, подвергается воздействию каких-либо перенапряжений и выбросов напряжения.
Перенапряжение — это сравнительно длительное повышение напряжения источников с относительно низким выходным сопротивлением. Выбросы напряжения ограничены по мощности, обладают значительно меньшей длительностью, но большей амплитудой. Они могут быть разной полярности.
В гибридных конвертерах устаревших конструкций полностью пренебрегали проблемой перенапряжений и выбросов, требуя ограничить максимальное входное напряжение заданным уровнем. Поэтому решать задачу защиты модуля от отказов из-за входных перенапряжений и выбросов приходилось неудовлетворенным потребителям. Существуют отдельные модули защиты от перенапряжений, однако они ненадежны, имеют низкий КПД и высокую стоимость. Производители предлагают также модули фильтров подавления радиопомех и выбросов, содержащие шунтирующие стабилитроны, но в целом игнорируют соответствующие требования по подавлению перенапряжений.
Проблема перенапряжений и выбросов безупречно решена в полнофункциональных конвертерах MDI, обладающих внутренней устойчивостью к перенапряжениям и выбросам, что позволяет работать прямо от бортовых генераторов. Такой системный подход к проблеме позволяет предложить потребителям единое, унифицированное решение задач системной совместимости.
Перенапряжения и выбросы нормируются несколькими зачастую противоречивыми спецификациями. Одни ограничивают амплитуду помех на входных шинах питания, которые генерирует потребитель. Другие указывают величину помех на входных шинах, при которых оборудование потребителя должно продолжать свое штатное функционирование. Между уровнем помех, создаваемых потребителем, и уровнем помех, при котором еще может работать его оборудование, обычно существует зазор. Обе группы требований включены в стандарт MIL-STD-461.
Для авиационных систем наибольшее применение получил военный стандарт MIL-STD-704, имеющий редакции A–E. Наиболее жесткие требования по величине перенапряжений для 28-вольтовых систем установлены в редакциях A и C — 80 В в течение 50 мс. Применимость конкретной редакции стандарта определяет дата производства бортовой энергосистемы летательного аппарата.
Нормы для бортового оборудования коммерческой авиации указаны в стандарте RTCA DO-160. Имеются также спецификации с уникальными требованиями.
Для наземных бортовых систем с номиналом 28 В применяют в большинстве случаев спецификации стандарта MIL-STD-1275, устанавливающие величину перенапряжений 100 В в течение 100 мс.
Поскольку существует тенденция уменьшения энергосистем самолетов и ракет, требования по перенапряжениям и выбросам обычно уникальны, однако к ракетным системам воздушного и наземного старта могут предъявляться составные требования.
Амплитуда и длительность выбросов определяется множеством спецификаций. Стандарт MIL-STD-461C определяет требования и метод испытаний CS06, а стандарт MIL-STD-461D — аналогичный тест с наведенным на кабель воздействием.
Требования к входным импульсным выбросам устанавливаются в стандартах MIL-STD-704, DO-160, MIL-STD-1275, MIL-STD-1399 и MIL-E-6051.
Отличающиеся свойства перенапряжений и выбросов приводят к различным способам борьбы с ними. Распространенные требования по величине и длительности перенапряжений заведомо превосходят энергетическую емкость фильтра конвертеров, а это значит, что не только входной фильтр, но и основные цепи должны выдерживать приложенное напряжение. Именно поэтому модули полнофункциональных конвертеров сконструированы для работы при повышенном входном напряжении. Консервативное, осторожное проектирование обеспечивает в результате высочайшую надежность прикладных систем. Платой за чрезвычайно широкий рабочий диапазон является незначительное уменьшение коэффициента полезного действия (КПД) из-за применения высоковольтных полупроводниковых приборов.
Задача подавления входных импульсных выбросов проще задачи подавления перенапряжений вследствие меньшей длительности выбросов. Компоненты входного фильтра полнофункциональных конвертеров преобразуют энергию входных импульсов без потерь, уменьшая их амплитуду и увеличивая длительность.

1.3.5 Импульсные эффекты и кондуктивная восприимчивость

При испытаниях кондуктивной восприимчивости на входы питания конвертера подают модулированное напряжение. Испытания проводят по методам CS01 и CS02 стандарта MIL-STD-461C и методу CS101 стандарта MIL-STD-461D. Восприимчивость по методу CS01 называют восприимчивостью на звуковых частотах, поскольку она определяется в диапазоне частот от 30 Гц до 50 кГц.
Все испытания на кондуктивную восприимчивость проводят обычно при полной нагрузке. По методу CS01 при номинале 28 В среднеквадратическая величина звукового сигнала составляет 2,8 В (размах 8,2 В), причем его амплитуда линейно падает в диапазоне от 1,5 до 50 кГц, а мощность ограничена уровнем 50 Вт.
Согласно требованиям SSP 30237, предъявляемым к оборудованию МКС, величина сигнала для номинала 120 В равна 5 В. При номинале 270 В тестовый сигнал равен 10 В. Модули конвертеров с номиналом 8–40 В испытывают сигналом 1 В при напряжении питания 14 В.
Испытания модулей серии 5000 по методу CS01 производят сигналом с размахом 1 В при напряжении питания 28 В, серии 7000 — сигналом с размахом 1 В при напряжении 50 В, серии 8000 — сигналом с размахом 2 В при напряжении 70 В, серии 9000 — сигналом с размахом 2 В при напряжении 100 В.
Испытательный сигнал вызывает модуляцию выходного напряжения конвертера на звуковых частотах, поэтому на выходе конвертера модулированная звуковой частотой помеха накладывается на обычные высокочастотные выходные пульсации. По стандартным критериям компании MDI изделие успешно проходит тесты метода CS01, когда огибающая модулированного сигнала на выходе конвертера не превышает допустимого размаха выходных пульсаций. Поэтому максимально допустимое отклонение выходного напряжения, вызванное входными кондуктивными помехами, в два раза превышает допустимый размах выходных пульсаций.
Полнофункциональные конвертеры MDI обладают крайне низкой кондуктивной восприимчивостью благодаря обратной связи по току с петлевым усилением более 50 дБ. Входной фильтр вносит резонансный подъем на 10–12 дБ в диапазоне 5–10 кГц, и повышает на эту величину кондуктивную восприимчивость. Однако за пределами области резонанса фильтр в значительной степени снижает кондуктивную восприимчивость.
Как правило, в стандартных конвертерах MDI с тремя выходами (трехканальных) непосредственно стабилизируется основной выход 5 В, который и подвержен влиянию кондуктивных помех. На остальных выходах установлены линейные стабилизаторы, дополнительно подавляющие помехи, в результате заметной восприимчивости не наблюдаются.
Испытания по методу CS02 проводят в расширенном диапазоне — от 50 кГц до низших частот ультравысокочастотного диапазона (УВЧ, UHF). Поэтому способ наложения испытательного сигнала в CS02 отличается от CS01, а метод подключения дает возможность использовать стандартные 50-омные радиочастотные генераторы и усилители.
Поскольку затухание, вносимое входным фильтром в этом диапазоне, очень велико, при испытаниях по методу CS02 обнаружить изменение качества работы конвертеров необыкновенно трудно. Так как общий вход питания соединен по высокой частоте с корпусом, испытание проводят только для положительного входа.
Импульсные выбросы, воздействующие на вход питания полнофункциональных конвертеров, в основном подавляются входным фильтром, который преобразует их в синусоидальные колебания меньшей амплитуды, затухающие на резонансной частоте фильтра. Допустимое отклонение выходного напряжения полнофункциональных конвертеров под воздействием импульсов метода CS06 или эквивалентных им составляет ±5%.

1.3.6 Характеристики фильтра радиопомех

Важной составной частью полнофункциональных конвертеров MDI является входной фильтр радиопомех, который ослабляет кондуктивные помехи ниже уровня CE03, установленного стандартом MIL-STD-461C, импульсные воздействия (CS06) и уменьшает кондуктивную восприимчивость (CS01 и CS02).
Задача создания входного фильтра радиопомех очень малых размеров является исключительно трудной, особенно при его размещении вблизи источников помех. Однако компания MDI преодолела эти трудности при конструировании полнофункциональных конвертеров.
Фильтр состоит из элементов, которые задерживают кондуктивные излучения выводов питания. Кроме того, элементы фильтра обеспечивают низкоимпедансное шунтирование нежелательных токов. Общая схема фильтра изображена на рисунке 1. Выходной синфазный фильтр служит наиболее важным дополнением к входному фильтру. Без выходного синфазного фильтра кондуктивные излучения появятся на выходах конвертера, а некоторая их часть пройдет через корпус модуля и появится на входах конвертера.


Рисунок 1 — Общая схема фильтра

Кондуктивные помехи в конвертерах могут быть синфазными и противофазными. Противофазные помехи появляются главным образом на одном входе питания, а синфазные помехи — на двух. Это происходит вследствие различной сущности источников помех. Как правило, частоты противофазных помех находятся ниже 1–2 МГц. На более высоких частотах преобладают синфазные помехи.
Входной фильтр радиопомех полнофункциональных конвертеров построен на трех индуктивных и трех емкостных элементах. С входами питания соединен синфазный симметрирующий двухобмоточный дроссель. Он представляет большую индуктивность для синфазных сигналов и малую для противофазных. За ним следуют две LC-секции противофазного фильтра. Выход последней секции соединен с корпусом модуля шунтирующим конденсатором.
Таким образом, синфазный фильтр образован входным синфазным дросселем и шунтирующим конденсатором, подключенным к корпусу модуля, а фильтр противофазных сигналов — двумя низкочастотными LC-секциями.
Из-за близости источников коммутационных помех каждый противофазный фильтр выполнен с двумя обмотками. Половина витков находится в отрицательной шине питания, другая половина — в положительной. Разделение обмотки на две секции подавляет проникновение помех в дроссель и их излучение.
Следствием разделения обмотки противофазного фильтра является неравенство на переменном токе потенциалов общего провода питания и общего провода управляющих входов. Это факт требует внимания, поскольку переходные процессы, вызванные импульсными помехами, могут вызывать сбои в работе конвертера из-за возникновения разности потенциалов в отрицательной ветви фильтра. Рекомендуемые схемотехнические приемы для преодоления этого обстоятельства приведены при описании управляющих входов (0).
Поскольку характеристика входного фильтра в диапазоне 5–10 кГц обладает резонансным подъемом величиной приблизительно 10–15 дБ, для его ограничения в конвертеры мощностью 40 и 80 Вт введена демпфирующая цепь.

1.3.7 Время нарастания и пусковой ток

Полнофункциональные конвертеры не накладывают никаких ограничений на скорость нарастания входного напряжения при подключении. Характерное изменение входного тока во время запуска показано на рисунке 2:


Рисунок 2 — Входной пусковой ток

На временной диаграмме видны два импульса тока, первый из них обусловлен зарядом емкости входного фильтра. Пиковая величина этого импульса зависит от скорости нарастания входного напряжения. Хотя индуктивность и активное сопротивление фильтра до некоторой степени ограничивают бросок входного тока, магнитопроводы малого размера склонны к насыщению.
Второй импульс тока обусловлен запуском конвертера и накоплением заряда внутренней емкостью и емкостью нагрузки.
Очевидно, что для ограничения амплитуды пускового тока необходимо ограничивать скорость нарастания входного напряжения.
Ориентировочные значения входной емкости конвертеров приведены в таблице 1

Таблица 1 Входная емкость конвертеров

Модель конвертера Входная емкость, мкФ Модель конвертера Входная емкость, мкФ Модель конвертера Входная емкость, мкФ
2680 13,5 3113 9,0 6690 4,5
2690 4,5 3114 18,0 7031 24,0
3000 1,98 3138 18,0 7107 9,0
3001 13,5 3193 18,0 7193 18,0
3011 9,0 3325 1,0 7680 13,5
3020 0,66 3326 14,4 7690 4,5
3031 24,0 3327 1,98 8031 19,2
3041 2,64 3378 13,5 8107 7,2
3051 18,4 5031 24,0 8193 10,8
3060 10,8 5107 9,0 8680 10,8
3061 6,6 5193 18,0 8690 3,6
3062 6,0 5680 13,5 9031 19,2
3070 3,6 5690 4,5 9107 7,2
3080 3,0 6031 24,0 9193 10,8
3107 9,0 6107 9,0 9680 10,8
3108 7,2 6193 18,0 9690 3,6
3109 1,32 6680 13,5

1.3.8 Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия, или эффективность конвертера, характеризует относительные потери энергии в преобразователе. Их большая часть образована постоянными потерями, зависящими от выходной мощности, и омическими потерями, пропорциональными квадрату выходного тока.
КПД при нулевой выходной мощности равен нулю из-за наличия постоянных потерь. Как правило, величина КПД максимальна при такой выходной мощности, при которой сумма постоянных и прямых потерь равна омическим потерям. При дальнейшем повышении выходной мощности эффективность снижается.
В тех случаях, когда эффективность постоянно растет вплоть до максимальной мощности, оптимальная мощность превышает максимальную.
На рисунке 3 представлены зависимости КПД от выходного тока для модулей с номиналом 28 В и мощностью 6,5, 30 и 80 Вт. Зависимости для других входных напряжений и выходных мощностей аналогичны.


Рисунок 2 — Входной пусковой ток

1.4 Выходные характеристики

1.4.1 Температурные коэффициенты напряжения

Пределы изменения выходных напряжений модулей, представленных в каталоге, указаны для номинальной температуры 25 °C. При другой температуре корпуса напряжения изменяются в соответствии с указанными ниже температурными коэффициентами:
стабилизированный выход — не более ±100 млн –1 / °C;
линейно стабилизированный выход — не более ±250 млн –1 / °C;
косвенно стабилизированный выход — не более ±1000 млн –1 / °C.
Основной выход одно- и двухканальных конвертеров является стабилизированным. В трехканальных конвертерах обычно стабилизирован мощный выход +5 В. По специальному заказу возможно изготовление модулей с другими температурными коэффициентами напряжения.

1.4.2 Температурная зависимость пульсаций

Величина выходных пульсаций зависит от емкости выходного конденсатора, если это многослойный керамический конденсатор, или же от эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) для танталового электролитического конденсатора. На выбор выходного конденсатора влияет величина выходного напряжения, тип конвертера и температурные режимы. Низкое значение ESR керамических конденсаторов позволяет обеспечивать весьма малую величину пульсаций, которая, однако, зачастую удваивается при экстремальной температуре, а емкость конденсатора при этом резко уменьшается. Предельно низкие температуры вызывают резкий рост ESR танталовых конденсаторов.
Поэтому следует учитывать, что при отклонении температуры от 25 °C напряжение пульсаций возрастает с температурным коэффициентом 1 % / °C.

1.4.3 Падение напряжения на выводах

Стабилизация в полнофункциональных конвертерах обеспечивается внутренней, а в случае 30-, 40- и 80-ваттных одноканальных модулей с низким выходным напряжением — внешней обратной связью с нагрузки.
Выходные выводы конвертеров имеют диаметр 1,0 мм и длину 8,9 мм, включая длину внутри модуля. При мощности модуля менее 80 Вт выводы изготавливают из сплава 52, сопротивление каждого близко к 1,5 мОм. Выводы 80-ваттных модулей также изготавливают из сплава 52, но с медной сердцевиной, в результате сопротивление каждого вывода составляет примерно 0,5 мОм.
Очевидно, что падение напряжения на выводах будет незначительным, кроме случаев сочетания низкого напряжения и большого выходного тока.

1.4.4 Влияние нагрузки

В двухканальных конвертерах стабилизируется напряжение между положительной и отрицательной выходной шиной. Таким образом, два канала по 12 В на самом деле являются одним каналом (конвертером) 24 В со средней точкой. Двухканальный модуль ±5 В — по сути конвертер с номиналом 10 В и средней точкой.
Поскольку стабилизируется суммарное напряжение, при разбалансировке нагрузки напряжение средней точки может и должно изменяться из-за сопротивления цепей преобразования энергии и выходного фильтра.
Результаты измерений для двухканального модуля с номиналом 15 В, представленные в таблице 2, показывают, что сбалансированное изменение нагрузки с 50 до 100 % вызывает изменение выходного напряжения на 0,14 %. Принимая сопротивление нагрузки модуля равным 30 Ом, получим, что выходное сопротивление модуля равно 0,0029 Ом, а сопротивление средней точки — 0,0114 Ом при небольших отклонениях и почти полной нагрузке. Значительно разбалансированная нагрузка увеличивает отклонение выходных напряжений. Причиной является большее сглаживание формы колебаний в процессах конверсии при высоких нагрузках и выпрямление выбросов при нагрузках менее 10 %.
Поэтому не рекомендуется применять двухканальные конвертеры для питания значительно разбалансированной (более 90 / 10 %) нагрузки, за исключением случаев с приемлемыми последствиями.

Таблица 2 Зависимость напряжения каналов от тока нагрузки

Ток выхода +15 В, А Ток выхода –15 В, А Напряжение выхода +15 В, В Напряжение выхода –15 В, В Сумма напряжений, В
1,00 1,00 14,942 -14,953 29,895
1,00 0,75 14,907 -14,996 29,903
1,00 0,50 14,865 -15,054 29,919
1,00 0,25 14,813 -15,125 29,938
1,00 0,00 13,499 -16,458 29,957
0,50 1,00 15,036 -14,871 29,907
0,50 0,75 15,003 -14,915 29,918
0,50 0,50 14,960 -14,968 29,928
0,50 0,25 14,915 -15,035 29,950
0,50 0,00 14,188 -15,783 29,971

В системах с крайней степенью разбалансировки и двумя различными напряжениями питания традиционные двухканальные модули не применяются.
Для выхода из ситуаций с предельно разбалансированной нагрузкой используются следующие методы конструирования специальных заказных конвертеров.
Первый метод предполагает конструирование двухканального модуля на основе трехканального. Тогда для сильноточного выхода используют единственный основной выход конвертера. Слаботочным выходом служит один из линейно стабилизированных выходов, второй не используют.
Вторым методом является конструирование конвертера, в котором выходные сопротивления сбалансированы в соответствии с нагрузками. При этом конструируют трансформатор, подбирают сопротивление дросселей и падение напряжения на диодах так, чтобы обеспечить необходимую величину напряжений при разбалансированной нагрузке.
Полнофункциональные конвертеры выпускаются также с одинаковой полярностью выходного напряжения. Например, двухканальные модули с напряжениями +5 и +3,3 В или +12 и +5 В.

1.4.5 Емкость нагрузки

На основном выходе 5 В допустима значительная дополнительная емкостная нагрузка, не ухудшающая стабильность конвертера. Максимальная величина емкости зависит от выходной мощности. Безопасная величина емкости на основном выходе равна 100 мкФ при мощности модуля 6,5 Вт, 500 мкФ при мощности 30 Вт и 1000 мкФ при мощности 80 Вт. Возможно увеличение емкости по согласованию с техническим департаментом компании MDI.
Для других напряжений допустимую величину емкости следует корректировать с помощью коэффициента, равного квадрату отношения напряжений. Величина внешней емкости линейно стабилизированных выходов трехканальных модулей с основным выходом 5 В не ограничена.

1.4.6 Спектр выходных пульсаций

Широкий спектр пульсаций выходного напряжения гибридных конвертеров простирается до 50 или даже 500 МГц. Существует два основных типа пульсаций. К первому типу относят противофазные пульсации, являющиеся основным низкочастотным компонентом. Второй тип — синфазные пульсации, генерируемые синфазными цепями. Компоненты этого типа доминируют на частотах более 2 МГц и выглядят на осциллограммах короткими выбросами. Типичный спектр выходных пульсаций до 10 МГц представлен на рисунке 4.
Требования к уровням шумов на выходе конвертера и методы его контроля задают спецификациями. Однако на практике спектральное представление оказывается громоздким, так как характеристики во временной области лучше подходят для визуализации и более удобны, чем характеристики в частотной области.
Поэтому выходные пульсации, шум и выбросы обычно определяют размахом напряжения в заданной полосе частот. Реальная практика показывает, что безоговорочное доверие к таким спецификациям может приводить к ошибкам.
Первая ошибка — ограничение полосы пропускания до 1 или 2 МГц при измерениях, несмотря на то, что преобладающий спектр выбросов шире. Практически все производители приводят для большинства производимых в настоящее время конвертеров величину пульсаций в полосе 2 МГц, отделяя тем самым основную частоту пульсаций и несколько ее гармоник. Это исключает высокие частоты, содержащие шум, зачастую большей амплитуды.
Вторая ошибка — проведение дифференциальных измерений. Так как у множества гибридных конвертеров выходной керамический конденсатор с низким ЭПС расположен прямо на выводах, дифференциальные измерения могут дать хорошие результаты. Но при работе конвертера в системе происходит необъяснимое увеличение шума, обусловленное неучтенным синфазным шумом.


Рисунок 4 — Спектр выходных пульсаций

Наиболее полезный метод — это накопление измерений напряжения в разных полосах для того, чтобы учесть выходной синфазный шум, поскольку наиболее высокочастотные выходные пульсации, шум и выбросы являются именно синфазными сигналами.
Важнейшие отличительные особенности синфазных и противофазных выходных сигналов заключаются в следующем. Противофазные пульсации и шум относительно легко фильтруются внутри и вне модуля. Фильтрация синфазного шума более трудна, поэтому он стремится распространиться по всей системе.
Причиной синфазного шума является циркуляция внутренних высокочастотных токов, а лучший способ его подавления — синфазная фильтрация в ближайшей к источнику точке. Таким образом, идеальное место для синфазного фильтра находится внутри самого гибридного конвертера.
Система фильтров гибридных конвертеров старших поколений была крайне проста, часто она состояла только из выходных конденсаторов. Шум этих конвертеров, в частности синфазный, на частотах более 2 МГц был чрезвычайно высок.
В модули гибридных конвертеров последних поколений введены два новшества, которые существенно уменьшили выходные пульсации и выбросы в сравнении с конвертерами прежних поколений. Первое новшество — установка дросселей выходного синфазного фильтра прямо внутри модуля конвертера. Второе — использование в выходных каскадах многослойных керамических конденсаторов с низким ЭПС, которые заменили общепринятые ранее танталовые и расширили диапазон качественной фильтрации на 1–2 декады в сторону высоких частот.
Хотя используемые методы подавления шума сами по себе не оригинальны, размещение фильтров внутри экранированного модуля коренным образом улучшило характеристики конвертеров.
Результатом этих существенных технологических новшеств явилось впечатляющее снижение выходного шума и пульсаций.
На рисунке 5 показана структурная схема типового гибридного конвертера с интегрированным входным и выходным фильтром. Из рисунка видно, что количество индуктивных и емкостных элементов значительно. Однако тщательный выбор элементов, точно соответствующих спектру шума, сделал возможным реализацию малогабаритных фильтров и успешное их размещение внутри корпуса гибридного модуля.


Рисунок 5 — Структурная схема гибридного конвертера

На входной стороне синфазные токи блокируются синфазным дросселем, обладающим большой индуктивностью. Шунтирующий конденсатор замыкает синфазные входные токи на корпус модуля, не позволяя им проникать на входы питания конвертера. Две LC-секции противофазной фильтрации подавляют пульсации тока, а две секции более высокой частоты имеют размер меньший, чем одна низкочастотная.
Из рисунка видно, что и на выходной стороне отсутствуют суррогаты фильтрующих элементов. Синфазный дроссель и шунтирующий на корпус конденсатор полностью устраняют короткие синфазные выбросы. Завершает выходную фильтрацию небольшой противофазный фильтр. Выходной фильтр модуля становится емкостным на частотах выше 10 МГц, поэтому при наличии остаточных высокочастотных выбросов для их подавления используют внешние ферритовые трубки и небольшие конденсаторы.
В некоторых устройствах, подобных камерам и усилителям с низким уровнем шума, желательна дополнительная противофазная фильтрация. Керамические конденсаторы с монтажом на поверхность и четырехвыводной схемой подключения будут наилучшими фильтрами (см. рис.6).
Хотя возможны фильтры и с другой топологией, именно эта компоновка очень хорошо подходит для серийного производства конвертеров с надежным подавлением шума.
Важно заметить, что выходные параметры гибридных конвертеров превышают требования MIL-STD-461 даже без тщательной дополнительной фильтрации.
Соединение выхода с корпусом шунтирует внутренний синфазный фильтр и может привести к повышению уровня помех на входе конвертера или увеличению уровня выходных выбросов. Если по какой-либо причине выходную землю все же необходимо соединить с корпусом, полезно использовать для этого высокоомный резистор с номиналом от 10 до 100 кОм.
Тем не менее, для улучшения фильтрации радиопомех допускается соединение корпуса с шасси и землей высокочастотного тракта.

1.4.7 Дополнительная фильтрация

Подавление переходных процессов, выбросов и пульсаций на выходе конвертера осуществляют с помощью дополнительной фильтрации.
Для ослабления переходных процессов, вызванных подключением и отключением нагрузки, применяют танталовые конденсаторы с низким ESR. Не следует вводить последовательную индуктивность, которая добавит сопротивление и устранит влияние емкости. Дополнительный конденсатор может иметь относительно большую емкость, однако без консультации с компанией превышать рекомендуемые значения не следует.
Рекомендуемая максимальная внешняя емкость основного выхода зависит от мощности и выходного напряжения конвертера. При указанной мощности и напряжении 5 В допустима следующая емкость:
100 мкФ — 6,5 Вт;
330 мкФ — 20 Вт;
500 мкФ — 30 Вт;
680 мкФ — 40 Вт;
1000 мкФ — 80 Вт.
При напряжении более 5 В, емкость необходимо уменьшить, а при меньшем напряжении — увеличить. Корректирующий коэффициент равняется квадрату отношения напряжений. Величина емкости на линейно стабилизированных выходах не ограничена.
Для подавления высокочастотных импульсов применяют многослойные керамические конденсаторы с монтажом на поверхность. Наибольший эффект достигается подключением по четырехвыводной схеме (рисунок 6). Между выходом конвертера и конденсатором устанавливают также синфазные дроссели или ферритовые трубки.


Рисунок 6 — Четырехвыводное подключение

1.4.8 Обратная полярность

К выходам конвертера допускается приложение напряжения обратной полярности независимо от того, находятся они под напряжением или нет. Его величина не должна превышать номинал выхода более чем на 20 %. Если напряжение приложено к основному выходу, линейно стабилизированные выходы отключаются.

1.4.9 Параллельное и последовательное соединение

Выходы однотипных конвертеров допускается соединять параллельно, но без внешних схем или балластных резисторов более или менее равное распределение нагрузки гарантировать невозможно. На рисунке 7 приведена отработанная схема принудительного распределения тока между тремя 80-ваттными конвертерами. Схему легко модифицировать для большего числа конвертеров.


Рисунок 7 — Схема распределения тока нагрузки

Для равномерного распределения мощности между конвертерами с высоким напряжением их выходы соединяют последовательно. Два 80-ваттных 14-вольтовых конвертера, соединенные последовательно, обеспечивают мощность 160 Вт при напряжении 28 В.
Ток последовательно соединенных конвертеров одинаков, а точность распределения мощности обеспечивается превосходной стабилизацией напряжения.

1.4.10 Внешние диоды

Несмотря на то, что соединение выходов однотипных конвертеров совершенно безопасно, во многих системах требуется соединить их в одной точке через отдельные диоды, которые вносят дополнительное падение напряжения.
Выходное напряжение одноканальных модулей, имеющих вход подстройки, легко повысить для компенсации падения на внешнем диоде.
Подстройка напряжения двух- или трехканальных модулей производится по специальному заказу. Например, возможен заказ трехканального конвертера с напряжением основного канала +5,4 В, вспомогательного — ±12,4 В.

1.4.11 Защита от перегрузок и коротких замыканий

Гибридные конвертеры MDI защищены от повреждений, вызываемых перегрузками и короткими замыканиями.
Значение пикового тока входных ключевых каскадов вводится в петлю внутренней обратной связи по току, улучшающую динамическую характеристику конвертера. Сравнение в каждом цикле пикового тока ключевых транзисторов с установленным порогом и управление моментом их выключения является основой работы быстродействующего ограничителя тока.
В дополнение к быстродействующему ограничителю тока имеется медленная защита, с меньшим током срабатывания, называемая схемой сброса нагрузки. Она срабатывает с задержкой приблизительно 5 мс и отключает конвертер на 15–20 мс с последующим его перезапуском. Особенность такого цикла состоит в формировании «сложенной» нагрузочной характеристики конвертера, которая обеспечивает эффективное ограничение тока и мощности, отдаваемой в нагрузку.
Задержка срабатывания схемы сброса нагрузки дает конвертеру возможность зарядить выходные конденсаторы.
Сочетание схемы сброса нагрузки и быстродействующего ограничителя тока обеспечивает превосходную защиту конвертера.
Поскольку схема защиты от перегрузок и коротких замыканий измеряет пиковый ток ключевых транзисторов, она более чувствительна в нижней части входного диапазона, где для данной нагрузки входной ток больше. Поэтому ток срабатывания защиты установлен по минимальному входному напряжению стационарного режима.
Хотя схема защиты по току имеет относительно низкую температурную чувствительность, она не задумывалась как прецизионная — ток ее срабатывания равен 120–130 % от тока полной нагрузки при минимальном напряжении питания.
Напряжение вспомогательных выходов трехканальных конвертеров формируют трехвыводные линейные стабилизаторы, обеспечивающие дополнительную защиту с ограничением тока и отключением стабилизатора при перегреве.

1.4.12 Защита от перенапряжений

Конвертеры MDI защищены от выходных перенапряжений, являющихся результатом сбоев в контуре автоматического регулирования.
Во всех конвертерах на стороне входа имеется служебное напряжение, появляющееся после запуска. Его величина пропорциональна выходному напряжению. Величина пропорции определяется моделью конвертера.
Если сбой вызывает перенапряжение, схема сброса нагрузки отключает, а затем вновь запускает конвертер (0).
Уровень срабатывания защиты, которая не является прецизионной, обычно на 33 % выше номинала. Однако он достаточно высок, чтобы предотвратить ложные срабатывания. Для уменьшения уровня срабатывания защиты применяют внешние прецизионные схемы.
Важно заметить, что схема защиты не отслеживает выходное напряжение непосредственно, только через вспомогательную обмотку трансформатора. Поэтому, если приложенное извне напряжение превысит допустимый уровень, конвертер не сможет ни обнаружить, ни ограничить такое перенапряжение.

1.5 Управляющие входы

1.5.1 Влияние входного фильтра

Входной фильтр соединен как с положительной, так и отрицательной шиной питания конвертера. Такой фильтр называют расщепленным. Несмотря на то, что все элементы фильтра теоретически можно разместить только на положительной шине, грамотное решение задачи проникновения помех через фильтр диктует их размещение на двух шинах питания. Поэтому схема внутреннего широтно-импульсного модулятора (ШИМ) отделена нижней ветвью фильтра от общего входа питания.
Это обстоятельство требует очень внимательно разрабатывать подключаемые схемы — общий вход питания не является землей схем управления из-за падения напряжения в нижней ветви фильтра.
Статическое падение напряжения на фильтре очень мало — порядка ста милливольт, однако динамичное изменение входного напряжения может вызвать значительно большее падение напряжения в нижней ветви фильтра. Подобные условия создаются колебаниями напряжения питания, выбросами (CS06) и звуковой модуляцией (CS01).

1.5.2 Вход запрета

Вход запрета (Inhibit) предназначен для дистанционного включения и отключения конвертера. Опорный уровень входа определяется общим входом питания, отделенным нижней ветвью входного фильтра (0). В стандартных конвертерах с номиналом 28 В реализована прямая функция запрета, в конвертерах с номиналом 120, 270 и 8–40 В — инверсная функция запрета (Inhibit Not). По специальному заказу выпускаются конвертеры с номиналом 28 В и инверсной функцией запрета. В таблице 1 представлена связь состояний входа запрета и конвертера.

Таблица 1 Функция запрета

Функция запрета (Inhibit) Инверсная функция запрета (Inhibit Not)
Вход Конвертер Вход Конвертер
Свободен Включен Заземлен Выключен
+5 В Выключен Свободен Включен

Прямая функция означает, что конвертер выключается при прохождении тока через вход запрета. Сопротивление входа с переходом база-эмиттер равно 15 кОм. Минимальный ток эмиттера — 100 мкА. Для отключения конвертера рекомендуется входной ток 100 мкА. Напряжение формирования тока должно быть больше 10 В, чтобы исключить влияние входного фильтра.
Неиспользуемый вход запрета следует оставить свободным, не заземлять его, так как возможны нежелательные эффекты при динамическом изменении входного напряжения.
Оптимальная конфигурация схемы запрета — транзистор p-n-p, подключенный к источнику питания, например, напряжением 28 В. Величину входного тока задают внешним резистором.
Инверсная функция запрета означает, что конвертер выключается при заземлении входа. Вытекающий при этом ток не превышает 3 мА. Напряжение свободного входа близко к 11 В. Оптимальное управление входом реализуют с помощью открытого коллектора. Напряжение на входе запрета в момент выключения конвертера приблизительно равно 5 В.
Неиспользуемый вход инверсного запрета следует оставить свободным.
Рекомендуемые схемы управления представлены на рисунках 8,9 и 10.


Рисунок 8 — Допустимая схема запрета


Рисунок 9 — Рекомендуемая схема запрета


Рисунок 10 — Рекомендуемая схема инверсного запрета

1.5.3 Вход синхронизации

Вывод 4 является входом синхронизации конвертера (Sync). Так как собственная рабочая частота гибридных модулей приблизительно равна 180 кГц, они синхронизируются на частоте 190–210 кГц. Импульсы синхронизации привязывают к уровню земли и 5 В. Они должны соответствовать импульсам на рисунке 11.
Коэффициент заполнения должен быть 10 ± 1 %. Следует отметить, что внутренний генератор работает на удвоенной частоте конвертера, поэтому для получения рабочей частоты 200 кГц необходима частота синхронизации 400 кГц.
По специальному заказу изготавливаются модули с частотой синхронизации 200 кГц. Также возможен заказ других частот.


Рисунок 11 — Сигнал синхронизации

Синхронизация конвертеров необходима в предельно чувствительных системах, поскольку гарантирует синхронность помех с тактовой частотой системы.
Неиспользуемый вход синхронизации следует оставить свободным.

1.5.4 Сигнал индикации состояния BIT

Для сигнала индикации состояния (BIT) используется вывод 1. В качестве опорного уровня используют напряжение общего входа питания, отделенного нижней ветвью фильтра.
Сигнал дает возможность внешним устройствам распознавать состояние конвертера. Напряжение вывода в нормальном состоянии — 5,5 ± 1 В. В тех случаях, когда конвертер выключен или находится в режиме ограничения напряжения или выходного тока, напряжение падает до 0–0,2 В.
Важно помнить, что уровень сигнала распознается относительно общего входа питания, отделенного от земли конвертера нижней ветвью входного фильтра.
Ток при низком уровне входа, втекающий из внешнего источника, не должен превышать 1 мА. Вытекающий ток при высоком уровне входа, напряжение которого зафиксировано стабилитроном, также не должен превышать 1 мА.

1.5.5 Вход плавного запуска

Вывод 3 является входом плавного запуска конвертера (Soft Start). Его используют для задания задержки запуска конвертера. Этот вход позволяет подключить внешний конденсатор параллельно внутреннему, который имеет емкость 1 мкФ и заряжается от внутреннего источника тока величиной примерно 50 мкА.
Напряжение конденсатора воздействует на усилитель ошибки ШИМ так, что выходное напряжение конвертера растет линейно (рис. 12).


Рисунок 12 — Выходное напряжение при плавном запуске

В момент включения конденсатор полностью разряжен. Конвертер остается в выключенном состоянии в течение некоторого времени после начала зарядки конденсатора. Этот интервал называют задержкой включения. Затем напряжение на конденсаторе проходит активную зону, зависящую от величины нагрузки конвертера.
Если нагрузка незначительна, напряжение ошибки, соответствующее максимальной производительности конвертера, невелико. Поэтому прохождение активной зоны происходит быстро.
Если конвертер нагружен полностью, напряжение ошибки, соответствующее максимальной производительности конвертера, относительно велико и прохождение активной зоны идет медленнее.
Пройдя через активную зону, напряжение на конденсаторе плавного запуска входит в зону насыщения, достигая уровня приблизительно 5 В. Поэтому рабочее напряжение внешнего конденсатора должно быть больше 10 В.
Неиспользуемый вход плавного запуска также следует оставить свободным.