www.powel.ru
«ЭФО»


PRM

Источники питания из модулей Vicor

VI Chip PRM (Pre Regulator Module) – модуль-стабилизатор напряжения в архитектуре FPA

Несколько лет назад Vicor Corp. предложила и запатентовала новый, нетрадиционный подход к преобразованию мощности в системах питания с промежуточной шиной (IBA – Intermediate Bus Architecture) , названный архитектурой FPA (Factorized Power Architecture), в которой имеется возможность комбинировать и переставлять местами основные функции преобразователя энергии — трансформацию напряжения, его стабилизацию и гальваническую развязку. Термин “Factorize” в технической литературе обозначает арифметическое действие «разлагать на множители». А по отношению к системам вторичного электропитания по архитектуре FPA это означает перемещение функции гальванической развязки на точку нагрузки (POL). Для получения стабильного напряжения на нагрузке в архитектуре с промежуточной шиной питания – IBA (Intermediate Bus Architecture) функция стабилизации выполнялась на выходной ступени (POL). А в архитектуре FPA стабилизируется напряжение промежуточной шины, а требуемое напряжение на нагрузке получается путем простой трансформации. В этом заключается принципиальное отличие архитектур FPA и IBA см. рис.1

Рис.1 Принцип построения архитектуры FPA компании Vicor

Для реализации FPA были разработаны функциональные модули VI Chip, которые принципиально отличаются от известных решений как по принципу построения системы питания, так и по технологическим и схемотехническим решениям. VI Chip обеспечивают превосходные показатели по переходным характеристикам, плотности преобразования мощности и эффективности работы. Результирующая система вторичного электропитания, построенная по архитектуре FPA, имеет высокий КПД и дает дополнительные преимущества — низкую стоимость и отличную надежность.

Подпись:Семейство VI Chip: модули BCM, PRM, VTM

Первой ступенью в FPA является модуль предварительной стабилизации PRM, который из входного напряжения постоянного тока на системной шине, изменяющегося в широких пределах, формирует выходное стабилизированное напряжение на промежуточной шине (Factorized Bus). Модуль PRM не обеспечивает гальванической развязки, но благодаря этому его внутренняя конструкция максимально упрощена и оптимизирована. Он может работать с КПД более 92%.

Вторая ступень в FPA — индивидуальные изолированные POL, которые компания Vicor называет VTM (Voltage transformation Module), или модулями — трансформаторами напряжения. Они осуществляют гальваническую развязку «вход/выход» и преобразование уровней напряжения.

Модули VTM могут работать с повышенным (по сравнению с обычными системами IBA) входным напряжением, например 24 или 48 В. Выходное напряжение определяется коэффициентом передачи К= U вых/U вх (или «коэффициентом трансформации»), который остается стабильным при изменениях тока нагрузки, температуры и воздействии других возмущающих факторов. Модули VTM имеют КПД до 97%, отличные динамические и переходные характеристики, а также низкий уровень создаваемых электромагнитных помех. При такой организации системы питания снижаются омические потери на промежуточной системной шине и предоставляются дополнительные возможности для конструктора: модуль PRM может быть размещен далеко от потребителей энергии, вплоть до отдельной печатной платы, а VTM — непосредственно рядом с потребителем (нагрузкой).

Еще одна ступень преобразования, на которой «сырое» первичное входное напряжение преобразуется в напряжение промежуточной шины осуществляется при помощи модулей BCM (Bus Converter Module).BCM осуществляет те же функции, что и VTM – трансформациию напряжения и гальваническую развязку. Эти модули способны работать с КПД более 95% потому, что ВСМ не стабилизирует выходное напряжение, а лишь обеспечивает его фиксированное понижение с заданным коэффициентом трансформации.BCM может работать автономно, VTM же в основном предназначены для использования в паре PRM-VTM.

Модули VI Chip — это стандартные изделия, которые дают возможность создавать источники и системы питания с гораздо лучшими массо-габаритными, электрическими характеристиками и параметрами по надежности. Модули VI Chip благодаря универсальности и отличным характеристикам, помимо применения в микропроцессорах, уже активно используются в индустрии (питание светодиодных экранов, современное технологическое оборудование) и оборонной промышленности (авионика, судостроение и пр.). Они обладают всеми требуемыми от современного источника питания основными параметрами: высокие показатели удельной плотности преобразования энергии, высокий КПД, быстродействие, отличные шумовые характеристики, малые габариты и вес. В тоже время их стоимость ниже, чем у распространенных DC/DC-преобразователей такой же мощности.

Новое поколение продукции Vicor имеет ряд преимуществ — минимальные габаритные размеры функциональных модулей и используемый в них резонансный метод преобразования энергии. Продукция семейства VI Chip, безусловно, относится к классу Hi-Tech.

Модули c размерами всего 32,5х22х6,6 мм обеспечивают конвертирование мощности до 300 Вт с КПД 95–98%. Это соответствует 70 кВт/дм3 удельной мощности! При их изготовлении используются многослойные печатные платы, планарные трансформаторы со специальными ферромагнетиками и новая запатентованная топология преобразования мощности — SAC (Sine Amplitude Conversion). Преобразователь является резонансным и работает с постоянной частотой до 3 МГц.

Все модули VI ChipBCM, PRM и VTM — имеют одинаковые стандартные размеры 32,5х22х6,6 мм и вес около 15 г. Показатели конвертируемой мощности — от 120 до 320 Вт на корпус, КПД — 92–97%. Модули выпускаются в трех конструктивных исполнениях: для монтажа в отверстия (рис. 3а), с J-выводами (рис. 3б) и выполненные на теплоотводящей крепежной пластине (рис. 3в) — опция VI-BRICK. Рабочий температурный диапазон — индустриальный (градация «Т»), от –40 до +125 °С, выпускаются также модули для военного температурного диапазона (градация «М»): от –55 до +125 °С с возможностью хранения при –65 °С. Напряжение изоляции для модулей VTM и BCM составляет 2250 В постоянного тока, гарантированное время наработки на отказ — более 2,5 млн часов. Модули градации «М» удовлетворяют всем MIL-стандартам по механическим воздействиям и устойчивости к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды. Следует отметить, что вся продукция Vicor не подпадает под ограничения правительства США на экспорт продукции специального и двойного назначения.

Неизолированный импульсный стабилизатор (PRM)

Pre-Regulator Module (PRM) — неизолированный импульсный стабилизатор, в котором силовые ключи переключаются при нулевом напряжении на них, по технологии ZVS (Zero Voltage Switching). Его функциональная схема показана на рис.4

Особенность стабилизатора — поддержание выходного напряжения на одном уровне при изменении входного напряжения как ниже, так и выше выходного, то есть он является одновременно вольтодобавочным и вольтовычитающим стабилизатором. PRM в архитектуре FPA выполняет функцию стабилизатора напряжения факторизованной шины (Vf) и, тем самым, регулирует выходное напряжение VTM при их совместной работе. Комбинация PRM и VTM создает изолированный, стабилизированный преобразователь DC/DC с местной обратной связью.PRM можно использовать и как отдельный стабилизатор с точностью стабилизации ±0,2% в случае, если в источнике не требуется гальваническая развязка. Основные входные и выходные параметры PRM приведены в таблице 1. Модули выпускаются в трех конструктивных исполнениях: с выводами J-Leads, для монтажа в отверстия и с интегрированным основанием-пластиной — серия VI Brick. Эти три модификации показаны слева рис.3. Существует два температурных диапазона эксплуатации: от –40 до +100 °С (исполнение «Т») и от –55 до +100 °С (исполнение «М»). КПД PRM > 95%; рабочая частота — 1,3 MГц. На рис. 5 представлено схематическое изображение модуля PRM с габаритными размерами и обозначение его выводов.

Рис.5.Схематическое изображение модуля PRM и обозначение его выводов

Таблица 1. Основные входные и выходные параметры стабилизаторов PRM

PRM

Uвх, В

Диапазон Uвх, В

Uвых, В

Мощность, Вт

P024F048T12AL

24

18–36

26–55

120

P036F048T12AL

36

18–60

26–55

120

P048F048T12AL

48

36–75

26–55

120

P048F048T24AL

48

36–75

26–55

240

P045F048T17AL

45

38–55

26–55

170

P045F048T32AL

45

38–55

26–55

320

MP028F036M12AL

28

16–50

26–55

120

Модуль MP028F036M12AL разработан и соответствует всем требованиям для использования в военной технике. Все PRM имеют выходное напряжение 26–55 В для согласования с входом последующих VTM, также возможно их применение с POL-конвертерами с Uвх 24 и48В.

Особенность модуля — это возможность задавать и управлять его выходными параметрами с помощью встроенного контроллера, добавляя минимальное количество дополнительных элементов, необходимых для настройки режима работы.

Чтобы представлять себе, какие задачи можно решать, применяя модули VI Chip, остановимся на назначении всех выводов и функциях, которые они выполняют. Из этого описания становятся понятными функциональные возможности VI Chip при работе как с отдельно взятыми модулями, так и в составе систем, а также некоторые особенности их подключения.

–In/+In — входы питания Uвх
Входы питания модуля от DC-источника имеют встроенную защиту от перенапряжения (OVP — Over Voltage Protection) и пониженного напряжения (UVP — Under Voltage Protection), которые защищают модуль, блокируя его, если входное напряжение находится вне пределов разрешенного диапазона. Заблокированный модуль периодически пытается перезапуститься и выходит на рабочий режим, как только Uвх попадает в рабочий диапазон. Между –In и +In модуля рекомендуется ставить электролитический конденсатор с низкой добротностью или RC цепочку для обеспечения низкого входного импеданса.PRM не имеет защиты от подачи напряжения обратной полярности.

+Out/–Out выходы
Выход PRM имеет встроенные защиты от перенапряжения (OVP), превышения выходного тока и короткого замыкания. Выход –Out внутри модуля через резистор соединен с –In. Таким образом измеряется ток через модуль. Благодаря этому PRM может контролировать максимальную выходную мощность и ток, не допуская перехода в опасные режимы работы, поэтому ни при каких условиях нельзя закорачивать выход –Out с входом –In.

VC — управление VTM
VC-порт служит для управления модулем VTM. Через него осуществляется подача начального импульса питания на VTM и синхронизация подъема напряжения при включении VTM. Через этот порт осуществляется обратная связь для компенсации напряжения на внутреннем выходном сопротивлении VTM — так называемая адаптивная обратная связь (adaptive loop). Другими словами, при увеличении тока через VTM за счет внутренней обратной связи увеличивается выходное напряжение на выходе PRM или, что то же самое, на Vf. К одному PC-порту без принятия дополнительных мер может быть подключено до двух VTM.

PC — primary control
Порт PC используется для дистанционного включения/выключения модуля. Для этого можно применять оптроны, транзисторы или реле. На PC не должны подаваться сигналы управления с частотой больше 1 Гц. Сигнал включения/выключения — логический, 0/5 В относительно –In.
При включении нескольких PRM параллельно их выводы PC должны быть объединены, для синхронизации старта. При неисправности или срабатывании защит (UVP, OVP, перегрузки по току, перегреве) на выводе PC появляются импульсы, индицирующие попытки модуля перезапуститься. Когда же неисправность устранена и модуль переходит в нормальный режим функционирования, импульсы исчезают.

IL— установка предела срабатывания защиты по току
У PRM есть предварительно установленное, предельное значение выходного тока, по достижении которого срабатывает соответствующая защита, и модуль отключается. При этом на выводе PC появляются импульсы, сигнализирующие о неисправности. Вход IL предназначен для регулировки предельного тока, который можно при необходимости понизить подключением резистора между выводами IL и SG. Такая регулировка может потребоваться, например, для оптимизации предела мощности последующего VTM.
Если IL оставить не подключенным, то предельное значение тока будет определяться внутренними заводскими настройками, указанными в data sheet.
Вход чувствителен к шумам и помехам, поэтому если он не задействован, необходимо его шунтировать керамическим конденсатором 0,1 мкФ.

PR — порт для параллельного включения
Сигнал на PR-порте пропорционален выходной мощности PRM, и, благодаря этому, обеспечивается равномерная загрузка (равномерное разделение токов) двух PRM при их параллельном включении. Входы PR чувствительны к шумам и помехам, поэтому должны быть приняты определенные меры для их минимизации. Для этого входы PR должны быть связаны между собой соединением с низким импедансом и использованы блокировочные конденсаторы. Для создания более мощных массивов, то есть при включении более двух PRM параллельно, требуются дополнительные соединения, описание которых можно найти в соответствующих руководствах по применению. При этом один из PRM устанавливается «мастером», а остальные ведомыми. PRM становится ведомым, если соединить выводы SC и SG. Выводы PC всех модулей должны соединяться напрямую (без диодов) для обеспечения одновременного запуска.

VH — выход вспомогательного источника питания
VH управляется сигналом с PC и при нормальной работе модуля составляет стабилизированные 9 В относительно SG с максимальным током потребления 5 мА. Этот источник можно использовать, когда модуль включен, чтобы питать энергией внешние электрические схемы. VH — незащищенный порт. Поэтому необходимо проявлять осторожность, чтобы не превысить максимальное значение тока, так как в противном случае возможно повреждение модуля.

SC — вход управления
Напряжение на нагрузке можно устанавливать, подключая резистор или источник напряжения к входу SC. Скоростью нарастания выходного напряжения можно управлять за счет скорости нарастания напряжения на входе SC, например, подсоединяя к нему конденсатор. Таким образом можно ограничивать пусковой ток в емкостной нагрузке и обеспечивать «мягкий старт» VTM. Вход SC не защищен, поэтому превышение напряжения на нем может вывести из строя PRM.

OS — установочный вход
Используется для подстройки выходного напряжения — Vf за счет подключения резистора между выводами OS и SG. Расчет нужной величины резистора приводится в data sheet. Если резистор не подключен, то на выходе PRM будет приблизительно 1 В.

SG — сигнальная «земля»
Этот вход обеспечивает низкоиндуктивное соединение с –In. Напряжения входов OS, CD, SC, VH, IL устанавливаются относительно SG. Напряжение между SG и –Out пропорционально току через PRM.

CD — компенсация напряжения
За счет подсоединения резистора между CD и SG осуществляется компенсация падения напряжения на выходном сопротивлении VTM и проводниках между PRM и VTM.

Дополнительные ссылки:

Статьи (на русском)

Инструкция по использованию

Рекомендации по применению VI Chips


ОТПРАВИТЬ ЗАПРОС


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