www.powel.ru
«ЭФО»
E-mail:
Пароль:


Импульсные DC/DC преобразователи компании Bothhand

Леонов Александр
alm@efo.ru

Статья открывает цикл публикаций о продукции компании Bothhand - разработчике  и производителе DC/DC источников питания со стандартным рядом входных и выходных напряжений в диапазоне выходной мощности от 0.5 до 60 Вт. Компания основана в 1992г и уже хорошо знакома многим разработчикам по другому типу выпускаемой продукции, в частности - развязывающие трансформаторы (включая PoE) и Ethernet разъемы в различных конструктивах. В первой статье рассмотрена линейка наиболее популярных модулей питания серии BOB и ее технические характеристики.

Источники питания (ИП) серии “BOB” выпускаются в одном конструктивном исполнении DIL24 (рис.1 и 2) с выходной мощностью от 3 до 12Вт. Данная серия реализована по стандартной топологии преобразования энергии, используемой другими производителями источников питания (Traco power, Aimtec и др.), причем серия “BOB” является более дешевой заменой модулей TEN3, TEN5, TEN6, TEN8, TEN12 и др., но не уступает им в качестве исполнения и надежности работы.


Рис.1. Модули питания серии BOB с габаритными размерами и цоколевкой.
Серия “BOB” включает в себя 3, 5, 8, 12Вт-ные источники питания с различными входными диапазонами 2:1 и 4:1 и стандартным рядом выходных напряжений (см. таблицу 1), но на этих сочетаниях параметров количество возможных производимых источников питания не ограничивается. Одно из преимуществ компании Bothhand заключается в том, что она принимает заказы на изготовление модулей питания по спецификации заказчика.
Таблица 1. Стандартный ряд модулей серии “BOB” выпускаемых серийно.


Модель

Выходная
мощность (Вт)

Входное
напряжение (В)

Количество
вых.

Выходное
напряжение (В)

Изоляция (В)

Рабочий
температурный диапазон (°С)

Размеры (мм)

BOB3W

3

9-36; 18-75

1

3.3•5•12•15
±5•±12•±15

1500

-40…+85

DIL24•31.7x20x10

2

BOB5

5

4.5-9; 9-18; 18-36; 36-75

1

3.3•5•12•15
±5•±12•±15

1500

-40…+85

DIL24•31.7x20x10

2

BOB5W

5

9-36; 18-75

1

3.3•5•12•15
±5•±12•±15

1500

-40…+85

DIL24•31.7x20x10

2

BOB8

8

9-18; 18-36; 36-75

1

3.3•5•12•15
±5•±12•±15

1500

-40…+85

DIL24•31.7x20x10

2

BOB8W

8

9-36; 18-75

1

3.3•5•12•15
±5•±12•±15

1500

-40…+85

DIL24•31.7x20x10

2

BOB12

12

9-18; 18-36; 36-75

1

2.5•3.3•5•12•15
±12•±15

1500

-40…+85

DIL24•31.7x20x10

2

BOB12W

12

9-36; 18-75

1

3.3•5•12•15
±5•±12•±15

1500

-40…+85

DIL24•31.7x20x10

2

 Технические характеристики модулей.

Таблица 2. Общая спецификация модулей серии “BOB”.


Точность установки Uвых

+/- 2 %

Коэффициент стабилизации Uвых

+/- 0.2 % Max.

Нестабильность Uвых при изменении тока нагрузки

+/- 1 % Max.

Выходные пульсации

20-85 (мВ) Max.

Рабочая частота

300 кГц Тип.

КПД

86% Тип.

Напряжение изоляции

1.5K В

Сопротивление изоляции

109 M?

Емкость изоляции

300пФ Тип.

Рабочий температурный диапазон

-40°C~+85°C

MTBF (Расчётное)

3.76x106 ч.

Материал корпуса

Медь с никелевым покрытием

Размеры

31.75x20.32x10.16 мм

Стандарт по технике безопасности

Соответствует
EMI 55022 / EMS 55024

По принципу действия DC/DC конверторы Bothhand являются импульсными преобразователями с гальванической развязкой, использующими ШИМ - метод преобразования с рабочей частотой 300кГц.
Если подключить осциллограф между корпусом и землей, то можно увидеть наведенный на корпусе сигнал ШИМ с установившимися переходными процессами (рис.3), изменяющий свой вид в зависимости от входного напряжения и нагрузки. Чем ниже входное напряжение к границе входного рабочего диапазона, тем меньше амплитуда наведенного сигнала, с повышением же входного напряжения амплитуда сигнала растет, при этом пульсации и шумы напряжения на выходе модуля практически неизменны и остаются на своем уровне.
Эти наведенные на корпусе сигналы следует учитывать при разработке печатной платы, т.к. они могут внести небольшой уровень кондуктивных помех и электромагнитного излучения, от которого можно легко избавиться, сделав под модулем земляной полигон, на который также заземлить корпус.
Рекомендация: не разводите сигнальные шины около силовой части или, по крайней мере, экранируйте их земляными полигонами (шумят все аналогичные источники питания).
Рабочий температурный диапазон модулей серии “BOB” составляет от-40°С до +85°С с максимальной температурой корпуса до +100°С. Обратите внимание, что под температурой эксплуатации модуля понимается температура корпуса, а не температура окружающей среды. Если вы при любой температуре окружающей среды сможете обеспечить отвод тепла от модуля так, чтобы температура его корпуса оставалась в пределах спецификации и не выходила за пределы установленного диапазона, то модули будут работать в режимах, описанных производителем в спецификации.
В отличие от некоторых других производителей (например, Cincon), модули Bothhand полностью герметичны, что позволяет им работать при относительной влажности воздуха до 95%. Они залиты специальным теплопроводящим компаундом, что дополнительно обеспечивает равномерное распределение тепла по всему объему модуля.
Модули Bothhand “опционально“ снабжены функцией дистанционного выключения (“Remove on/off”), которую на сегодняшний день  имеют большое число модулей питания. Тем не менее, зачастую разработчик при поиске нового или замене старого ИП на более совершенную модель, видя данную функцию, отказывается от использования такого модуля, если функция дистанционного выключения не была заложена в функционал изделия или просто не нужна. Отсюда появляется вопрос: как ее использовать, можно ли ее не подключать и не будет ли она влиять на работу модуля?
Найти аналогичный источник питания без данной функции несложно, но выигрыша в этом практически не будет. Дистанционное включение / выключение модуля питания не накладывает никаких ограничений на его использование. Эту функцию можно либо использовать, либо оставить не подключенной, что никак не повлияет на работу источника питания. При замыкании вывода “on/off” на землю или на низкопотенциальную шину от 0 до 1,2В внутренняя логика выключит модуль; если же подать на вывод напряжение от 3,5В до 12В, модуль будет находиться в состоянии готовности и быстрее запустится при подаче на него входного напряжения питания, т.к. KMOП-логика уже включила модуль в активный режим.

Тестовые измерения

Рис. 2. Расшифровка наименования модулей питания Bothhand

Чтобы посмотреть параметры модулей серии “BOB”, были отобраны несколько моделей, у которых измерялись выходное напряжение, шумы и пульсации, КПД и частота преобразования. Все измерения (табл. 3) проводились с помощью осциллографа и мультиметра путем измерения значений на нескольких циклах включения и выключения модулей для получения достаточной выборки, граничные результаты которой в виде диапазона разброса параметров также приведены в таблице.
Тестировались несколько модулей семейства “BOB”, в частности, изделия BOB5-12S1 с Uвх = 12 (9-18)В (2:1) и BOB3-24S1W, BOB5-24S1W с расширенным диапазоном Uвх=24 (9-36)В (4:1), а также BOB5-24S3W. Все результаты тестов данных модулей приведены в таблице 3, по ним можно судить о стабильности выходного напряжения, шумах и пульсациях при разных входных напряжениях.
Таблица 3. Результаты теста

 

BOB3-24S1W

BOB5-24S1

BOB5-24S1W

BOB5-24S3W

Uвх=24 (9-36)В;
Uвых=5В/600мА

Uвх=24 (18-36)В; Uвых=5В/1А

Uвх=24 (9-36)В; Uвых=5В/1А

Uвх=24 (9-36)В; Uвых=15В/0.3А

ITEM

Uвх (В)

Uвых (В)
несколько измерений

Uвх (В)

Uвых (В)
несколько измерений

Uвх (В)

Uвых (В)
несколько измерений

Uвх (В)

Uвых (В)
несколько измерений

Коэффициент стабилизации
Uвых

Min: 9

5.035-5.011

Min: 18

5.040-5.018

Min: 9

5.048-5.019

Min: 9

14.839-4.878

Nor: 24

5.035-5.011

Nor: 24

5.035-5.018

Nor: 24

5.047-5.022

Nor: 24

14.836-4.875

Max: 36

5.034-5.009

Max: 36

5.034-5.011

Max: 36

5.040-5.018

Max: 36

14.828-4.865

Нестабильность Uвых при изменении тока нагрузки

24

F.L

5.035-5.011

F.L

5.045-5.018

F.L

5.047-5.019

F.L

14.836-4.875

1/4 F.L

5.043-5.019

1/4 F.L

5.049-5.019

1/4 F.L

5.053-5.032

1/4 F.L

14.843-4.881

 

Шумы и пульсации
20МГц BW (mVp-p)

24

27.2-28.8

24

25.2-26.8

24

23.2-24.8

24

28.8-30.4

Ii (мA)

24

162.5-163.2

24

263.5-263.3

24

263.5-263.3

24

301.6-301.7

КПД (%)24

24

77,44-76,60

24

79.8-79.37

24

79.73-79.37

24

81,79-81,86

Fsw (кГц)

24

290,7-294,1

24

290,1

24

294.1-294,1

24

161,33-163,33

F.L. (Full Load) – полная нагрузка
Приведенные в таблице 3 данные показывают среднестатистическую оценку рабочих параметров, но не отражают динамику работы модулей. Рассмотрим более детально переходные процессы и режимы работы источников питания Bothhand.

Шумы и пульсации

Шумы и пульсации полностью соответствуют значениям, заявленным в datasheet.
Модуль BOB5-24S1W при полной загрузке выдает выходное напряжение с пульсациями и шумами, генерируемыми ШИМ, не превышающими 25мВ (рис.3). Модули с большим номинальным выходным напряжением имеют большие пульсации, но их размах укладывается в 1-2% от номинального значения напряжения на выходе преобразователя.


а)                                                           б)                                                          в)

Рис.3 Шумы и пульсации на выходе при полной нагрузке BOB5-24S1W  а) Uвх=9В б) Uвх=24В в) Uвх=36В
г) шумы и пульсации 10мВ/дел., 1 мкс/дел.

Отметим, что уровень шумов пульсаций непосредственно зависит от реализации схемы выходного каскада, которая должна быть спроектирована с таким расчетом, чтобы одновременно стабилизировать и фильтровать выходное напряжение, но при этом хорошо отрабатывать переходные процессы и не вносить генерируемых помех. Это можно видеть на рис.4, где модуль при работе на холостом ходу и на нагрузке имеет одинаковый уровень пульсаций, но разное количество генерируемых гармоник.
Естественно, уровень пульсаций можно еще понизить в несколько раз, дополнив выходной каскад внешними элементами (таблица.4). Но нужно учитывать, что при уменьшении уровня пульсаций будет увеличиваться количество гармоник, генерируемых за счет переходных процессов в реактивных элементах.

Таблица 4. Уровень пульсации и вид выходного напряжения в зависимости от выходного фильтра.


Пульсации

 

 

 

Без внешних элементов
pk-pk 88мВ


pk-pk 46мВ

 
pk-pk 36мВ


pk-pk 13мВ


а)                                                                          б)
Рис.4 Шумы и пульсации модулей на х.х. а) и при полной нагрузке б)

Рабочие диапазоны

На входе у модулей Bothhand имеется П-образный фильтр, снижающий уровень входных пульсаций и убирающий часть помех. В дополнение, этот фильтр позволяет модулям выдерживать кратковременные скачки входного напряжения. Для моделей с диапазоном 4:1 импульсные и сетевые скачки напряжения могут достигать значений 50В при Uвх=24(9-36)В и 100В при Uвх=48(18-75)В при продолжительности до 100мс без каких либо последствий для преобразователя.
Все модули Bothhand гарантированно работают во всем рабочем диапазоне входного напряжения 2:1 - 12(9-18)В, 24(18-36)В, 48(36-75)В или 4:1 - 24(9-36)В, 48(18-75)В. Характерно, что при уменьшении входного напряжения ниже допустимого работоспособность модулей сохраняется. Маломощные модули с низким входным напряжением при плавном уменьшении Uвх до 6В продолжают выдавать выходное напряжение, а далее выходное напряжение начинает падать вместе с входным до уровня около 2-3 В до тех пор, пока модуль не отключится.
Чтобы запустить модуль после выключения, нужно повысить входное напряжение до 6-9В, почти до нижней границы рабочего диапазона. При этом модуль без нагрузки может включиться раньше, чем с нагрузкой. Все испытанные источники питания Bothhand  даже с нагрузкой без проблем включались на нижней границе диапазона входных напряжений.

Динамические характеристики модулей

Для большей наглядности динамических характеристик тестировался модуль с б?льшим выходным напряжением BOB5-24S3W (Pвых=5Вт, Uвых=15В), т.к. на нем более заметны переходные процессы при запуске на ХХ, на полную нагрузку и при выключении модуля (рис.5 и 6).
BOB5-24S3W

а)                                                                          б)
Рис.5 а)Включение модуля при полной нагрузке (100%)        б)Выключение модуля при полной нагрузке (100%)

 
а)                                                                          б)
Рис.6 а) Включение модуля на холостом ходу (0%)        б) Выключение модуля на холостом ходу (0%)

Модули при включении, как на нагрузку, так и без нее имеют небольшой скачок напряжения на выходе в пределах, прописанных в спецификации (1-4%). Это можно наблюдать на осциллограммах выше: при номинальном выходном напряжении в 15В скачок составляет от 0.5В на нагрузке и до 1.2В на ХХ, а переходный процесс установления рабочего напряжения длится от 100 мкс до нескольких секунд на ХХ.
Переходный процесс при включенной нагрузке не имеет никаких пульсирующих скачков и выбросов напряжения, а значит, он не должен повлиять на подключаемые к источнику элементы нагрузки. Этого нельзя сказать о процессе на ХХ - он имеет несколько ступеней «выравнивания» (стабилизации) выходного напряжения. Справедливости ради отметим, что это также ни на что не может повлиять, т.к. нагрузки нет. На осциллограммах, приведенных ниже, можно сравнить описанные процессы в одном масштабе.


 
а)                                                                          б)
Рис.7 Броски напряжения при включении модулей при а)полной нагрузке и б) на х.х. в одинаковом масштабе.

Рассмотрим режимы работы этого же 15В модуля и переходные процессы, создаваемые при увеличении и сбросе нагрузки.
При резком включении нагрузки от 0% до 100% происходит скачок тока, о чем свидетельствует “просадка” напряжения на осциллограмме (рис.8 а). Весь процесс установления длится 200мкс, за которые модуль успевает отработать изменение нагрузки и стабилизировать выходное напряжение; при этом “просадка” не превышает 3% от номинального значения выходного напряжения. При резком отключении нагрузки со 100% до 0% скачок напряжения так же не превышает 3% (500мВ) от номинала, а сам модуль переходит в режим работы на холостом ходу. Форма переходного процесса при сбросе нагрузки напоминает форму переходного процесса при запуске, только выходное напряжение стабилизируется за значительно более короткое время (около 450 мкс).
Также стоит отметить тот факт, что переходные процессы имеют довольно плавный вид, без дополнительных пульсаций и импульсов, и модуль при таких динамических режимах ведет себя очень стабильно.

а)                                                                          б)
Рис.8 а) Просадка напряжения при включении нагрузки (0%-100%)
Рис.8 б) Переходный процесс при выключении нагрузки (100%-0%)
Динамические характеристики модулей на холостом ходе

Отдельно стоит обратить внимание на режим работы модулей на ХХ - некоторым из них для нормального запуска требуется минимальная нагрузка от 4 до 10мА. Это связано с организацией обратной связи в преобразователях Bothhand. При работе без нагрузки модуль будет постоянно пытаться запуститься, выдавая на выход импульсы (рис.9), которые могут создавать мешающие чувствительным микросхемам пульсации. Данные импульсы повторяются с периодичностью ШИМ модуля и при изменении входного напряжения так же меняются (рис.10, 11). Например, при повышении входного напряжения от 9 до 36В, что как раз и показано на рис.10 и 11, для стабилизации выходного напряжения (в данном случае 5В, понижение напряжения) ШИМ-преобразователь должен сохранить количество энергии, передаваемой за один импульс. Чем выше входное напряжение, тем меньше ширина импульса, а значит, чтобы сохранить стабильность выходного напряжения при максимальном допустимом входном, вместо больших емкостей выходного каскада проще увеличить частоту ШИМ-преобразования. Это мы и видим на осциллограммах, полученных при ХХ модуля. Наблюдаемые изменения частоты следует учитывать при расчете длины дорожек печатной платы, так как при сбросе нагрузки шины питания могут вносить дополнительный уровень помех.
Избежать этого очень просто - достаточно подключить к модулю минимальную нагрузку, в качестве которой может быть использована дополнительная выходная емкость или RC цепочка.

а)                                                                          б)
Рис.9 Включение а)(5Вт, 5В) б)(3Вт, 5В) модуля на холостом ходу (0%)


Рис.10 Изменение ширины пульсации на выходе при изменении входного напряжения (от 9 до 36)В

Рис.11 Изменение ширины пульсации на выходе при изменении входного напряжения (от 9 до 36)В

Температурные характеристики

Тестируемые при работе на полную нагрузку модули Bothhand практически не разогреваются, 12 Вт-ный модуль с учетом КПД до 88%  рассеивает 1,4 Вт и разогревается до 40°С; 3Вт-ный модуль с КПД до 80% рассеивает 0,5Вт и разогревается до 23°С, что можно видеть на термограмме ниже (рис.12). Видно, что температура поверхности корпуса распределена равномерно, что свидетельствует о качественной заливке модуля теплопроводящим компаундом. Преобразователь сохраняет свои рабочие характеристик во всем рабочем температурном диапазоне от -40°С до +85°С, только после 71°С наблюдается снижение мощности рис.13.

Рис.12 Термограмма 3Вт модуля из серии BOB.

Рис.13 Кривая мощности модулей серии BOB.

Мы рассмотрели лишь одно семейство импульсных источников питания компании Bothhand стандартного ряда. В следующих статьях будут приведены описания и результаты тестирования других модулей. В заключение приведем краткую таблицу других источников питания фирмы Bothhand, которые будут описаны в посследующих статьях.

Таблица 5. Стандартный ряд модулей выпускаемых серийно компанией Bothhand.



 

Серии

Выходная
мощность (Вт)

Входное
напряжение (В)

Входной
диапазон

Регулировка
выхода

Изоляция (В)

SMD корпус

SMD 16

CS

1.8

5,12

+/-10%

 

1K&2K

SMD 8,10

SM1

1

5,12,24

+/-10%

 

1K

SMD 10

SM1H

1

5,12,24

+/-10%

 

3K

SMD 8,10

ST1

1

5,12,24

+/-10%

 

1K

SIP корпус

SIP 4

BA

0.5,1

5,12,24

+1-10%

 

1K

SIP 7

B1

1

5,12,24

+/-10%

 

1K&3K

B3

2

5.12.24

+/-10%

 

1K&3K

B4

1.5

5,12,24

+/-10%

V

1K&3K

SIP 8

BMA1

1

5,12,15,24,28

+/-10%

 

1K&6K

B9

2

9-18,18-36,36-75

2:1

V

1K

DIP корпус

DIP 4

BA

0.5,1

 5,12,24

+/-10%

 

1K

DIP 14

B1

1

5,12,24

+1-10%

 

1K&3K

BMB1

1

48

+/-10%

 

1K

B3

2

5,12,24

+/-10%

 

1K&3K

B4

1.5

5,12,24

+/-10%

V

1K&3K

DIP 16

BB

1,2

9-18,18-36,36-75

2:1

V

1K&3K

DIP 24

BC

15,2,3

5,12,24

+/-10%

V

1K&3K

B5

1.5,2,3

5,12,24

+/-10%

V

1K&3K

B6

15,2,3

9-18,18-36,36-75

2:1

V

1.5K

BOB3W

3

9-36,18-75

4:1

V

1.5K

BOB5

5

4.5-9,9-18,18-36,36-75

2:1

V

1.5K

BOB5W

5

9-36,18-75

4:1

V

1.5K

BOB8

8

9-18,18-36,36-75

2:1

V

1.5K

BOB8W

8

9-36,18-75

4:1

V

1.5K

BOB12

12

9-18,18-36,36-75

2:1

V

1.5K

BOB12W

12

9-36,18-75

4:1

V

1.5K

1"x1"

BRA15W

15

9-36,18-75

4:1

V

1.5K

BRA20W

20

9-36,18-75

4:1

V

1.5K

1 "x2"

BUB10

10

9-18,18-36,36-75

2:1

V

1.5K

BUA10-110

10

66-166

3:1

V

1.5K

BUB12W

12

9-36,18-75

4:1

V

1.5K

BUA15L

15

9-18.18-36,36-75

2:1

V

1.5K

BUB15

15

9-18.18-36,36-75

2:1

V

1.5K

BUB15W

15

9-36,18-75

4:1

V

1.5K

BUB20

20

9-18,18-36,36-75

2:1

V

1.5K

BUB20W

20

9-36,18-75

4:1

V

1.5K

BUC20W

20

9-36,18-75

4:1

V

1.5K

BUC30

30

9-18,18-36,36-75

2:1

V

1.5K

1.6"x2"

BVA25

25,30

9-18,18-36,36-75

2:1

V

1.5K

BVA30W

30

9-36,18-75

4:1

V

1.5K

2"x2"

BWA40

40

9-18,18-36,36-75

2:1

V

15K

BWC40W

40

9-36,18-75

4:1

V

1.5K

BWC60

60

18-36,36-75

2:1

V

1.5K

Литература:

 

  1. Справочно-информационный портал по источникам питания - http://powel.ru/producers/bothhand/
  2. Справочно-информационный портал компании Bothhand - http://www.bothhand.com.tw/home.aspx
  3. Леонов А. Источники питания Arch для промышленности, медицинской техники и телекоммуникаций

 


Дистрибуция электронных компонентов www.efo.ru © All rights reserved. EFO Ltd.
При использовании материалов
ссылка на источник обязательна.
Создание сайта © 2010 PointDesign™
Конструктивы и корпуса РЭА www.korpusa.ru Микроконтроллеры www.mymcu.ru Микросхемы Altera altera.ru
Мир беспроводных решений www.wless.ru Волоконно-оптические компоненты www.infiber.ru Кварцевые резонаторы
и генераторы Golledge
www.golledge.ru
Силовая электроника www.efo-power.ru Электротехническая продукция www.efo-electro.ru Контрольно-измерительные приборы www.efometry.ru