www.powel.ru
«ЭФО»


BCM

Источники питания из модулей Vicor

VI Chip Модули — трансформаторы напряжения: VTM, BCM

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.

Трансформаторы напряжения: VTM, BCM

VTM и BCM в архитектуре FPA выполняют роль трансформатора напряжения и усилителя тока, а также осуществляют гальваническую развязку. Преобразователи являются нестабилизированными, то есть их выходное напряжение пропорционально входному и определяется коэффициентом трансформации: K = Uвых/Uвх. Применена запатентованная технология преобразования энергии, названная SAC (Sinus Amplitude Convertion), а VTM и BCM, соответственно, SAC-конвертерами. Основное функциональное отличие модуля VTM от модуля BCM состоит в том, что VTM оптимизирован для совместной работы с PRM (VTM имеет специальный порт для компенсации падения напряжения на выходном сопротивлении, встроенные алгоритмы включения модуля при подаче напряжения и возникновении перегрузки по току). Модуль BCM идеологически проще. Он предназначен для работы в качестве отдельного, независимого формирователя напряжения на промежуточной силовой шине, а в качестве источника питания для BCM может выступать любой внешний преобразователь — DC/DC или AC/DC. Выходные напряжения и мощность VTM и BCM одинаковы для соответствующих моделей.

Функциональная схема SAC-конвертера приведена на рис.1. В основе технологии лежит резонансный метод преобразования, при котором в первичной обмотке трансформатора (P) формируется синусоидальное напряжение постоянной частоты. Рабочая частота определяется LC рез контуром, где L — индуктивность рассеяния трансформатора, Срез — емкость. В отличие от ШИМ-преобразования, где коэффициент преобразования «К» лимитируется минимальной шириной импульсов (рабочим циклом) ключевых транзисторов, для SAC «К» может быть 1/32 и более и не зависит от величины входного напряжения. Встроенный SAC контроллер только осуществляет переключение транзисторов в нужное время для достижения резонанса. Частота преобразования в SAC конвертерах Vicor постоянна и может достигать 3,5 МГц (рис.2)

Высокая рабочая частота и резонансный метод преобразования позволяют достичь существенных преимуществ по сравнению с традиционными схемами. К этим преимуществам относятся меньшие габариты, пониженный уровень шумов, малое время отклика при изменениях нагрузки. Высокий КПД (>95%) и малое время отклика достигаются благодаря тому, что SAC-конвертер не стабилизирует выходное напряжение, то есть в нем отсутствуют внутренняя обратная связь и регулирующие элементы. Конвертер только обеспечивает трансформацию со стабильным фиксированным коэффициентом, не требуется дополнительное время для отработки возмущающего сигнала и не возникает проблем с обеспечением стабильности.

Также одной из особенностей SAC является то, что его выход является низкоимпедансным, за счет отсутствия последовательных с нагрузкой индуктивностей. Примером может служить то, что время отклика на изменение нагрузки с 0 до 80 А составляет менее 1 мкс. Низкий выходной импеданс — одно из ключевых требований для питания нагрузок большим током и низким напряжением. Импеданс SAC низкий (составляет 1–150 мОм в зависимости от К) и постоянный вплоть до частоты 1 МГц.

У SAC-конвертеров есть интересное свойство: емкость фильтра на выходе может быть заменена эквивалентной, в К2 раз меньшей, поставленной на его входе. Иными словами, для BCM с К = 1/32 емкость на его входе, равная 1 мкФ, эквивалентна 1024 мкФ на выходе. Это свойство обуславливается тем, что короткое время отклика позволяет значительно (в К2 раз ) уменьшить количество запасаемой энергии для поддержания питания нагрузки. Выпускаются две разновидности SAC — VTM и BCM. Отличие BCM от VTM в том, что VTM, в основном, предназначен и оптимизирован для работы совместно с модулем PRM. Такая пара представляет собой полнофункциональный DC/DC-конвертер. Для запуска VTM необходимо подать импульс на вывод PC, который формируется PRM, или нужно создавать дополнительную схему запуска. BCM используются для формирования промежуточной шины для питания последующих niPOL-преобразователей или непосредственно нагрузки.

Основные характеристики модулей VTM:

Номинальные значения выходного напряжения определяются как 48/n В, где n= 1, 2, 3, … 48. Как уже упоминалось, у VTM Uвых= KUвх. Таким образом, Uвых можно устанавливать отличным от номинального, изменяя Uвх. Например, для модуля с номинальным Uвых= 6,0 В, можно устанавливать значение 3,25–6,88 В.

  • Выходной ток — до 90 А.
  • Высокий КПД — от 91 до 97%.
  • Выходной импеданс Rout ~ от 1 до 200 мОм.

  • Быстродействие — не более 1 мкс.
  • Для расширения функциональных возможностей у данных модулей также имеются специальные порты управления:
  • VC — порт для связи с PRM (отсутствует у BCM);
  • PC — дистанционное включение/отключение выходного напряжения.

Технические характеристики и номенклатура VTM и BCM, выпускаемых в настоящее время

Размеры и конструкции модулей VTM и BCM показаны в описании VIChip.

Схематическое изображение модуля VTM и обозначение его выводов показано на рис. 4. Все VTM (табл. 2–4) имеют входное напряжение 48 В с диапазоном 26–55 В. Выпускаются модули, специфицированные для применения в военной технике, серии MVxxx с температурой эксплуатации от –55 °С и соответствующие MIL-стандартам. Компания Vicor освоила и продолжает расширять линейку модулей VTM за счет выпуска модулей «половинного размера» (“Half-Chip”) с габаритами 16,5x22x6,5мм и мощностью до 120 Вт серии VIV (табл. 3). Высоковольтные BCM (табл. 6) с входным напряжением 348 и 380 В созданы для работы совместно с корректором коэффициента мощности. Модуль VMB0004MFJ разработан и соответствует всем требованиям, предъявляемым для использования в военной технике с питанием от сети 270 В постоянного тока.

Таблица 2.Основные входные и выходные параметры модулей VTM “FullChip

VTM

Uвх (номинал), В

Диапазон Uвх, В

Uвых (номинал), В

Диапазон Uвых, В

Iвых, A

Температурный диапазон

V048F015T100

48

26–55

1,5

0,81-1,72

100

Т, М

V048F020T080

48

26–55

2

1,08-2,29

80

Т, М

V048F030T070

48

26–55

3

1,63-3,44

70

Т, М

V048F040T050

48

26–55

4

2,17-4,58

50

Т, М

V048F060T040

48

26–55

6

3,25-6,88

40

Т, М

V048F080T030

48

26–55

8

4,33-9,17

30

Т, М

V048F096T025

48

26–55

9,6

6,4-11

25

Т, М

V048F120T025

48

26–55

12

6,5-13,75

25

Т, М

V048F160T015

48

26–55

16

8,67-18,33

15

Т, М

V048F240T012

48

26–55

24

14-26,5

12

Т, М

V048F320T009

48

26–55

32

17,33-36,67

9

Т, М

V048F480T006

48

26–55

48

48-55

6

Т, М

Рис. 6. Схематическое изображение модуля VTM и обозначение его выводов

Таблица 3. Основные входные и выходные параметры модулей VTM половинного размера “HalfChip

VTM

Uвх (номинал), В

Диапазон Uвх, В

Uвых (номинал), В

Диапазон Uвых, В

Iвых, A

Температурный диапазон

VIV0102THJ

48

26-55

1.5

0.81 - 1.72

50

Т, М

VIV0103THJ

48

26-55

2

1.08-2.29

40

Т, М

VIV0104THJ

48

26-55

4

2.17-4.58

25

Т, М

VIV0105THJ

48

26-55

6

3.25-6.88

20

Т, М

VIV0101THJ

48

26-55

12

6.5-13.75

10

Т, М

Таблица 4. Входные и выходные параметры модулей VTM в Military исполнении

VTM

Uвх (номинал), В

Диапазон Uвх, В

Uвых (номинал), В

Диапазон Uвых, В

Iвых, A

Температурный диапазон

MV036F011M100

36

26-50

1.1

0.82 - 1.55

100

М

MV036F015M080

36

26-50

1.5

1.1-2.0

80

М

MV036F022M055

36

26-50

2.2

1.63-3.1

55

М

MV036F030M040

36

26-50

3

2.2-4.1

40

М

MV036F045M027

36

26-50

4.5

3.3-6.2

27

М

MV036F060M020

36

26-50

6

4.3-8.3

20

М

MV036F072M017

32

26-50

7.2

6.4- 10.0

16,6

М

MV036F090M013

36

26-50

9

6.5-12.5

13,3

М

MV036F120M010

36

26-50

12

8.7- 16.6

10

М

MV036F180M007

36

26-50

18

13.0-25.0

6,7

М

MV036F240M005

36

26-50

24

17.4-33.0

5

М

MV036F360M003

36

26-50

36

26-50.0

3,3

М

Таблица 5. Основные параметры модулей BCM

BCM

Uвх (номинал), В

Диапазон Uвх, В

Uвых (номинал), В

Диапазон Uвых, В

Коэффициент передачи (К)

Мощность, Вт

B048F015T14

48

38 – 55

1.5

1.19 – 1.71

1/32

135

B048F030T21

48

38 – 55

3.0

2.38 – 3.43

1/16

210

B048F040T20

48

38 – 55

4.0

3.17 – 4.58

1/12

200

B048F060T24

48

38 – 55

6.0

4.75 – 6.87

1/8

240

B048F080T24

48

38 – 55

8.0

6.33 – 9.16

1/6

240

B048F096T24

48

38 – 55

9.6

7.60 – 11.0

1/5

240

B048F120T30

48

38 – 55

12.0

9.50 – 13.8

1/4

300

B048F160T24

48

38 – 55

16.0

12.7 – 18.3

1/3

240

B048F240T30

48

38 – 53

24.0

19.0 – 26.5

1/2

300

B048F320T30

48

38 – 55

32.0

25.3 – 36.7

2/3

300

B048F480T30

48

38 – 55

48.0

38.0 – 55.0

1

300

Таблица 6. Основные параметры модулей высоковольтных BCM

BCM

Uвх (номинал), В

Диапазон Uвх, В

Uвых (номинал), В

Мощность, Вт

B352F110T24

348

330 – 365

10.3 – 11.4

240

B352F110T30

348

330 – 365

10.3 – 11.4

300

B384F120T30

380

360 – 400

11.25 – 12.5

300

VIB0001TFJ

348

330 – 365

10.3 – 11.4

300

VIB0002TFJ

380

360 – 400

45.0 – 50.0

300

VIB0003TFJ

348

330 – 365

41.25 – 45.62

325

VMB0004MFJ

270

240-330

30-41.25

235

Описание выводов

Выводы +In/–In

На эти выводы должно подаваться входное напряжение в пределах, установленных в спецификации. Для VTM при напряжении ниже установленного или его кратковременном провале модуль выключается, и для его старта вновь необходимо подать импульс запуска длительностью не менее 10 мс, амплитудой 14 В на вывод VC. В BCM есть защита от пониженного напряжения. В VTM и BCM в случае превышения предела входного напряжения срабатывает соответствующая защита OVP, и модуль отключается.

VC — контрольный вход

Через него осуществляется подача импульса питания для включения. Если VTM работает совместно с PRM, то подъем его выходного напряжения синхронизируется с подъемом Uвых PRM. Кроме этого, выход VC обеспечивает обратную связь на PRM по току нагрузки для компенсации падения напряжения на внутреннем сопротивлении, таким образом организуется адаптивная обратная связь.

PC — Primary Control

Вывод для дистанционного включения/отключения модуля управляется логическим сигналом. Отключение происходит при напряжении на входе менее 2,4 В. Управление можно осуществлять посредством оптопары, реле, транзистора с открытым коллектором. Выключенный модуль для повторного включения требует подачи импульса питания на VC. PC может служить и вспомогательным источником 5 В до 2,4 мА. При параллельном соединении модулей их выводы PC соединяют для обеспечения одновременного старта.

При отключении VTM по причине срабатывания защиты на PC появляются импульсы, сигнализирующие о возникновении неисправности.

Выводы +Out/–Out

VTM и BCM имеют встроенную защиту от короткого замыкания, превышения предела тока на выходе и перегрева и не имеют внутренней защиты от включения входного напряжения в обратной полярности. Время срабатывания защиты от короткого замыкания составляет около 1 мкс.

Чтобы собрать полнофункциональный DC/DC-конвертер, модуль-стабилизатор PRM соединяют с модулем-трансформатором VTM. Напомним, что в VTM отсутствует обратная связь с выхода, другими словами, напряжение на его выходе не стабилизировано. Но, благодаря уникальному свойству PRM управлять своим выходным напряжением с учетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении VTM, точность стабилизации пары PRM-VTM достигает ±1%. На рис. 5 показана схема включения PRM и VTM с использованием адаптивной обратной связи. Адаптивная обратная связь активизируется за счет соединения выводов VC двух модулей.

Рис. 7. Включение PRM и VTM по схеме с адаптивной обратной связью: VL— напряжение на нагрузке; R0, I0— внутреннее сопротивление и ток VTM.

Без этого соединения в PRM действует локальная обратная связь, напряжение на его выходе учитывает только величину выходного тока. Точность стабилизации на VTM при таком подключении составит ±4%. При таком соединении каждый модуль фактически работает независимо друг от друга. Повысить точность стабилизации до ±0,2% можно путем введения обратной связи с нагрузки на PRM. Но для этого потребуются дополнительные элементы и необходимо обеспечить изоляцию в цепи обратной связи.

С помощью резистора ROS устанавливается значение выходного напряжения VTM; RCD компенсирует падение напряжения на выходном сопротивлении VTM и проводниках между PRM и VTM и VTM с нагрузкой.

К выводу SC можно подсоединить конденсатор, организуя таким образом «мягкий старт».

Дополнительные ссылки:

Статьи (на русском)

Инструкция по использованию

Рекомендации по применению VI Chips


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