Заказные DC/DC конвертеры

выбрать отображение

15 Заказные DC/DC конвертеры

15.1 Обзор

Возможность изготовления гибридного DC/DC конвертера в необходимой пользователю конфигурации может привнести ряд преимуществ во многие приложения, хотя заказной конвертер и стоит дороже стандартной модели. Поэтому пользователю необходимо трезво оценивать оправданность такого решения с точки зрения стоимости и предполагаемых преимуществ. Часто потребители не подозревают о том, что гибридные DC/DC конвертеры можно легко и быстро модифицировать, так, что их применение снизит стоимость, размеры, вес и повысит эффективность конечного изделия.
Единственный конвертер может обеспечить множество различных выходных напряжений и заменить собою два или три стандартных корпуса. Точно так же в одном корпусе могут быть собраны несколько конвертеров. Это снижает стоимость, размеры, вес и повышает надежность и эффективность.
В маломощных приложениях каждый миниатюрный DC/DC конвертер даже в режиме холостого хода может потреблять до нескольких сотен милливатт. Поэтому уменьшение числа конвертеров за счет использования одной заказной модели с несколькими выходными напряжениями позволяет существенно повысить эффективность системы электропитания. Возможность подстройки выходного напряжения помогает устранить необходимость использования внешних цепей регулировки, или добавить запас по напряжению для организации схемы резервирования по «ИЛИ» с помощью внешнего диода.
В мощных приложениях обеспечение необходимого уровня выходной мощности может потребовать применения двух и более DC/DC конвертеров. При использовании нескольких конвертеров желательно включать их таким образом, чтобы выходная мощность распределялась между ними равномерно. В случае высоких выходных напряжений вместо параллельного включения конвертеров следует использовать последовательное. Последовательное включение обеспечивает идеальное распределение мощности безо всяких дополнительных мероприятий. Однако при последовательном включении очень часто необходимо располагать конвертерами с нестандартными выходными напряжениями, так, чтобы в сумме они обеспечивали требуемую величину выходного напряжения.
Компания MDI может поставлять DC/DC конвертеры с регулируемыми в широком диапазоне выходными напряжениями, или конвертеры, которые обеспечивают стабилизацию выходного тока. Конвертеры с регулировкой выходного напряжения часто применяются для управления уровнем мощности радиочастотных усилителей, а конвертеры со стабилизированным выходным током – для заряда аккумуляторных батарей.
В заказном исполнении DC/DC конвертеры могут также выполняться под требования уникальных входных напряжений или сверхнизких уровней выходных пульсаций, с функциями поддержки параллельного включения и выдачи информации о своем состоянии.
Ниже в порядке возрастания стоимости и времени исполнения перечислены типовые способы модификации:
А. Незначительное изменение напряжения: изменение величины выходного напряжения стандартной модели, которое можно выполнить лазерной подгонкой или заменой чип-резистора без изменения обмоток трансформатора.
В. Значительное изменение напряжения: изменение величины выходного напряжения стандартной модели, которое требует изменения обмоток трансформатора. Может включать в себя требование использования других выходных выпрямителей, выходных конденсаторов и фильтров. Однако при этом стандартная подложка остается без изменений.
С. Незначительные изменения подложки: изменение топологии подложки с целью установки иного стандартного компонента, которое может быть выполнено с помощью проволочного внутреннего соединения. Изменение осуществляется путем лазерной обрезки печатных проводников и установки необходимых перемычек. Моточные изделия обычно остаются неизменными.
D. Значительные изменения подложки: разработчик фактически начинает работу с чистого листа, но может применять схемы и функциональные узлы, уже испытанные в составе прежних разработок. Значительные изменения подложки часто требуют выполнения двух итераций.

15.2 Нестандартное входное напряжение

Производимая MDI линейка стандартных конвертеров выглядит следующим образом:

Номинальное входное напряжение Диапазон по входу Диапазон выходных напряжений
от 16 до 24 В 5:1 8 В – 40 В
28 В 3,125:1 16 В – 50 В
120 В 1,8372:1 86 В – 158 В
270 В 1,675:1 200 В – 335 В

Как видно из таблицы, в линейке имеются абсолютные пробелы в диапазонах от 50 В до 86 В и от 158 В до 200 В.
В связи с наличием этих пробелов следует напомнить о том, что заставлять конвертер без крайней необходимости работать вблизи его предельных рабочих границ является далеко не идеальным решением. Каждый тип конвертера разработан так, чтобы работать в оптимальном режиме при указанном номинальном напряжении, и обеспечивать заданный спецификациями уровень параметров при крайних значениях рабочего диапазона напряжений. Это подразумевает, что вблизи краев рабочего диапазона такие параметры конвертера, как КПД, коэффициент стабилизации, переходная характеристика, устойчивость по петле обратной связи и уровень пульсаций могут быть хуже оптимальных значений.
Хотя конвертер вполне способен работать на краях своего диапазона рабочих напряжений, крайне нежелательной является ситуация, когда номинальные условия его работы близки к этим границам. Гораздо лучше вместо этого перемотать трансформаторы и изменить конструкцию так, чтобы конвертер был оптимизирован под номинальные входные условия.
Можно выпускать конвертеры с очень широким диапазоном рабочих напряжений – с соотношением 10:1 и более, но при этом компоненты будут подвергаться значительным перегрузкам. Это заставляет предусматривать некоторый запас, и в результате номинальная мощность конвертера оказывается ниже, чем мощность стандартного конвертера в таком же корпусе.

15.3 Нестандартное выходное напряжение

Необходимость нестандартного выходного напряжения, которое отличается от существующих номинальных значений, может потребовать подстройки конвертера или замены трансформатора. Большинство гибридных DC/DC конвертеров компании MDI снабжены цепью, задающей опорный уровень напряжения. В большинстве конвертеров со стандартными выходными напряжениями эта цепь питается непосредственно от выходного напряжения. В конвертерах с очень низким (менее 5 В) или высоким (более 28 В) выходным напряжением такая цепь должна питаться от отдельной обмотки трансформатора. Эта конфигурация характерна для большинства конвертеров, разработанных MDI. Однако для того, чтобы получить напряжение питания опорной схемы конвертера, которое очень сильно отличается от напряжения питания самого конвертера, обычно требуется разработка нестандартного трансформатора.
К случаям нестандартного выходного напряжения относятся также нестандартные сочетания выходных напряжений двух- и трехканальных конвертеров, например:
─ двухканальный конвертер с выходами +12 В и +5 В;
─ двухканальный конвертер с выходами +5 В и -5,2 В;
─ двухканальный конвертер с выходами +5 В и +3,3 В.
Не следует забывать, что для организации нестандартного сочетания двух выходных напряжений в случае, когда один из выходов является относительно слаботочным, можно использовать стандартные трехканальные конвертеры. Например, чтобы получить двухканальный конвертер с мощным выходом +5 В и слаботочным выходом +24 В, можно воспользоваться трехканальным конвертером стандартной конфигурации Т12, где напряжение +24 В будет получено суммированием выходов ±12 В.
Трехканальные конвертеры могут быть модифицированы так, что напряжение на основном выходе будет отличаться от 5 В. Например, конвертер будет обеспечивать мощный выход +28 В и слаботочные выходы ±15 В. Слаботочные выходы подстраиваются независимо и изолированы от мощной обмотки.
Трехканальные конвертеры также можно модифицировать так, чтобы напряжения обоих дополнительных выходов имели положительную полярность. Кроме того, эти напряжения могут быть различными по величине.

15.4 Низкий уровень выходных пульсаций

Для уменьшения выходных импульсных помех во всех DC/DC конвертерах компании MDI используется выходной синфазный дроссель. Конструкция синфазного дросселя обеспечивает низкое дифференциальное сопротивление, что весьма важно, поскольку напряжение обратной связи снимается за этим дросселем – с выходных выводов конвертера. Однако, если перенести точку съема напряжения обратной связи и увеличить дифференциальную индуктивность дросселя, то за счет небольшого увеличения выходного сопротивления конвертера можно снизить уровень основной гармоники пульсаций на его выходе.
Компания MDI выпускает также гибридные выходные фильтры, которые позволяют снизить выходные пульсации и помехи до чрезвычайно низкого уровня.

15.5 Высокая степень подавления звуковых частот

Некоторые применения конвертеров требуют очень высокой степени развязки выходного напряжения от влияния входных помех. Обычный DC/DC конвертер с обратной связью по току обеспечивает подавление звуковых частот от входа к выходу в пределах 50-60 дБ. Фильтр радиопомех обычно добавляет 10-20 дБ на некоторых частотах.
Однако той степени подавления на низких или звуковых частотах, которую обеспечивает единственная петля обратной связи, может оказаться недостаточно. В таком случае потребуется организация второй петли обратной связи. Поскольку основной всегда является петля регулирования ШИМ, то вторая петля обратной связи может быть либо ключевой, либо линейной. Например, можно каскадно включить два конвертера, и, хотя во многих отношениях это является нерациональным решением, один плюс оно все же обеспечит – уменьшит восприимчивость к помехам звукового диапазона частот.
В стандартном трехканальном конвертере компании MDI основной выход охвачен петлей обратной связи ШИМ, а дополнительные выходы являются выходами линейных стабилизаторов, входное напряжение на которые подается с основного выхода. Это является характерным примером последовательного включения двух петель обратной связи, позволяющего обеспечить чрезвычайно высокую степень подавления звуковых частот на дополнительных выходах конвертера.
Использование какскадного включения линейного стабилизатора с низким падением напряжения является весьма эффективной мерой при разработке мощных систем электропитания. Такой стабилизатор может быть либо встроен в гибридный конвертер, либо подключен снаружи. В случае использования внешнего стабилизатора можно увеличить выходное напряжение DC/DC конвертера, чтобы обеспечить адекватный запас, необходимый для нормальной работы стабилизатора.

15.6 Последовательность подачи выходных напряжений

Гибридные DC/DC конвертеры часто применяют в качестве источника питания твердотельных усилителей мощности радиочастотного диапазона SSPA (Solid State Power Amplifier), в которых используются полевые транзисторы на основе GaAs. Для питания таких усилителей в космических применениях компанией MDI разработан и выпускается ряд DC/DC конвертеров, в которых используется несколько различных топологий. При подаче питания на такой GaAs усилитель требуется, чтобы отрицательное напряжение смещения появлялось на затворах полевых транзисторов до того, как на их стоки будет подано положительное напряжение питания. При выключении, соответственно, отрицательное смещение затворов должно отключаться только после снятия со стоков положительного напряжения. Предшественником базовой модели мощного (до 100 Вт в гибридном исполнении) конвертера для питания твердотельных усилителей SSPA являлся уникальный конвертер компании MDI, который обеспечивал питание основного СВЧ усилителя SSPA космического зонда, созданного в рамках проекта исследования Марса «JPL Mars Pathfinder».
Подобные мощные конвертеры характеризуются следующими особенностями:
1). Использование обратноходовой схемы с рабочей частотой 200 кГц, что обеспечивает высокую степень подавления дестабилизирующих входных воздействий.
2). Все положительные и отрицательные выходные напряжения вырабатываются одним и тем же каскадом обратноходового преобразования.
3). Требуемая выходная последовательность и функция запрета реализованы путем применения выходных ключей на полевых транзисторах.
Базовая топология маломощного (до 30 Вт в гибридном исполнении) конвертера для питания усилителей SSPA является модификацией модели, первоначально использованной компанией MDI для питания резервного усилителя SSPA космического зонда. Данная топология отличается использованием меньшего количества компонентов, и поэтому более удобна в маломощных применениях. Однако интервалы временных задержек последовательности включения в ней контролируются не так точно, как в более мощной версии. Схемотехнически маломощная базовая версия представляет собой комбинацию маломощного прямоходового преобразователя и обратноходового конвертера с управлением по току и с частотой преобразования 200 кГц. Такая комбинация обратноходового и прямоходового режимов позволяет реализовать необходимую выходную последовательность с использованием минимального количества компонентов.
Отрицательное выходное напряжение вырабатывается с помощью прямоходовой обмотки с использованием дополнительного линейного стабилизатора. Положительное выходное напряжение вырабатывается с помощью обратноходовой обмотки. Суть такого схемотехнического решения заключается в использовании сильной взаимосвязи между обратноходовой и прямоходовой обмотками трансформатора. Детектирование коротких импульсных выбросов, возникающих при коммутации полевого транзистора, позволяет прямоходовой секции при включении преобразователя сразу же выдать напряжение на выход. Напряжение на выходе обратноходовой секции нарастает гораздо медленнее, что и создает необходимую задержку при включении. При выключении питания накопительный конденсатор поддерживает отрицательное напряжение, пока не упадут напряжения на остальных выходах конвертера.
Поскольку DC/DC конвертеры с заданной выходной последовательностью (sequenced DC/DC Converters) не приведены в каталоге компании MDI, по поводу их заказа необходимо обращаться в отдел продаж и маркетинга. Вполне может оказаться, что необходимая Вам модель уже была ранее разработана.

15.7 Конвертеры с регулировкой выходного напряжения

Довольно часто возникает необходимость регулировки выходного напряжения с помощью внешнего сигнала управления. Такой сигнал, как правило, привязан к общей шине. Потребность в такой регулировке обычно возникает, когда конвертеры используются в составе регулируемых радиочастотных усилителей, систем управления осветительными приборами, источников для заряда конденсаторов или аккумуляторов и источников постоянного тока. Схемотехнически стандартные гибридные конвертеры компании MDI представляют собой обратноходовые преобразователи с управлением по току. Такая схема идеально подходит для обеспечения широкого диапазона рабочих напряжений и является удачным выбором при создании модулей с перестраиваемым выходным напряжением.
Стандартные гибридные конвертеры компании MDI разработаны в расчете на фиксированное выходное напряжение и допускают подстройку выходного напряжения в пределах до 10 % от номинального значения. Для достижения максимального КПД запуск входного каскада ШИМ осуществляется с помощью транзистора, подключенного ко входной шине питания, но затем в процессе работы питание обеспечивает отдельная служебная обмотка трансформатора. Напряжение обратной связи снимается с делителя, подключенного к выходу конвертера. Если выходное напряжение изменять в больших пределах, то служебная обмотка не сможет запитать схему входного каскада ШИМ, а напряжение выходного делителя выйдет за допустимые пределы.
Для реализации конвертера с регулировкой выходного напряжения его пусковую цепь необходимо изменить так, чтобы она постоянно обеспечивала питание входного каскада ШИМ, хотя это и приведет к небольшому снижению КПД. Кроме того, выходной делитель напряжения должен питаться от отдельной обмотки. Если диапазон изменения входного напряжения конвертера относительно невелик, выходной делитель может быть запитан от прямоходовой обмотки, либо от обратноходовой обмотки через дополнительный стабилизатор.
Для дополнительного увеличения диапазона регулировки по выходу, иногда полезно запрограммировать снижение рабочей частоты преобразователя при понижении величины выходного напряжения.
Источники тока на основе гибридных DC/DC конвертеров подобны преобразователям с подстройкой выходного напряжения. В таких источниках значение выходного тока сравнивается с опорной величиной. Усиленное напряжение ошибки (рассогласования) между опорным и измеренным значениями тока используется для управления DC/DC конвертером с подстраиваемым выходным напряжением. Обеспечивая возможность изменения опорного напряжения, можно получать подстраиваемый источник тока.
Благодаря применению творческого конструкторского подхода, линейка продуктов компании MDI хорошо вписывается в разрабатываемые пользователями экономичные системы. Этому способствует использование специальных корпусов, возможность обеспечения до десяти регулируемых выходов, высокий КПД маломощных модификаций, а также разработки DC/AC инверторов.
Для того, чтобы начать диалог с техническим отделом компании MDI о возможности выпуска заказной модели гибридного DC/DC конвертера, необходимо заполнить и выслать копию «Custom Selector Guide» для гибридных DC/DC конвертеров.