Разработка распределенной архитектуры системы электропитания на базе POL (POINT-OF-LOAD) модулей

1 Окт 2017

 

Введение

Сегодня необходимо, чтобы электроника, используемая в современной авиации, оборонной и космической отраслях, обладала большей производительностью, но при этом была бы меньших размеров, меньшего веса и более дешевой. Источник питания – ключевой элемент, определяющий конечный размер, вес и тепловой режим системы. В данной статье обсуждаются методы, позволяющие подобрать эффективную и экономичную схему электропитания, соответствующую требованиям вашей системы электропитания.

Правильная архитектура системы электропитания ключ к разработке эффективной схемы

Единственная возможность уменьшить площадь источника питания – использовать современные методы разработки архитектуры распределенного электропитания. Вместо нескольких изолированных источников питания для управления нагрузкой в распределенной архитектуре сегодня используется один преобразователь с гальванической развязкой и несколько небольших POL-модулей. Преимущество POL-модулей заключается в их компактном размере, высокой производительности и более высоких рабочих характеристиках по сравнению с использованием изолированных преобразователей.

Во многих системах оборонной, авиационной и космической промышленности используются источники питания, которые соответствуют требованиям стандарта MIL-STD-704. Стандартом MIL-STD-704 определяются характеристики источников питания для различных условий эксплуатации, в том числе во время переходного и устойчивого режима работы. Например, согласно стандарту MIL-STD-704, Раздел F, диапазон входного напряжения в переходных процессах для систем питания шины на 28 В постоянного тока должен составлять от 18 В до 50 В. В авиационной отрасли многие электронные системы должны соответствовать старым редакциям стандарта MIL-STD-704, которыми определяются более строгие рамки диапазона входного напряжения от 16 В до 80 В.

В силу наличия такого широкого диапазона входного напряжения в сочетании с большим количеством систем с обязательной изоляцией появляется необходимость в разработке соответствующего типа изоляции между источником питания и источником нагрузки.

Раньше пользователям энергосистем высокой надежности было трудно найти элементы питания, сертифицированные согласно MIL-PRF-38534 и MIL-STD-883, которые бы также соответствовали стандарту MIL-STD-704 для низковольтных систем питания и характеризовались высокой производительностью, небольшим весом и соответствием строгим параметрам работы питающей системы. Во многих системах использовалось несколько изолированных источников питания или использовался один изолированный источник питания с несколькими линейными регуляторами. Оба метода приводили к созданию неэффективных, громоздких и дорогих систем питания.

На рисунке 1 показан типовой пример использования нескольких изолированных преобразователей для питания каждой нагрузки (напр. процессор, память и др.). Основным недостатком использования нескольких изолированных преобразователей является повышенная сложность системы. Этот тип схемы увеличивает не только сложность, но и  затраты и размеры, снижая при этом эффективность и надежность. Все эти факторы препятствуют построению эффективного энергопитания систем, требующих использования низкого напряжения.

Более эффективный вариант источника питания: POL-модули

Сегодня компания VPT предлагает более эффективное решение, предусматривающее один изолированный источник питания с несколькими POL-модулями. Изолированный преобразователь предназначен для использования в низковольтных системах, требующих высокого уровня надежности в соответствии с требованиями MIL-STD-704. POL-модули очень эффективны, экономичны и характеризуются очень высокой удельной мощностью. Такие показатели преобразователей компании VPT достигаются благодаря использованию схемы на основе неизолированных синхронных понижающих преобразователей. Благодаря исключению изолированных источников питания упрощается конструкция. На рисунке 2 показано решение компании VPT, обеспечивающее высокую надежность работы низковольтных систем. В данном примере рассеянная мощность снижается до 6,8 Вт, что представляет собой уменьшение на 68% (14,2 Вт) по сравнению с методом, изображенным на рисунке 1.

Кроме существенного снижения потерь энергии, простоты и компактного размера, POL-модули позволяют значительно уменьшить размер, вес и конечную стоимость системы, увеличив при этом ее надежность. POL-модули могут располагаться близко к источнику нагрузки, снижая при этом погрешности при регулировании нагрузки и колебания напряжения во время переходных режимов работы. При этом высокий показатель эффективности обеспечивает благоприятный температурный режим работы без дополнительных мер отвода тепла. Данный тип распределенной архитектуры электропитания позволяет разработать не только более дешевую и легкую систему, но также и обеспечить более высокую производительность по сравнению с предыдущим принципом конструкции.

Важные конструктивные решения, принимаемые во внимание при разработке вашей системы

При разработке системы электропитания с использованием POL-модулей компания VPT предлагает универсальные и многообразные типы использования. Например, если ваша система предназначена для космической отрасли, компания VPT предлагает преобразователь SVGA, устойчивый к воздействию радиационного излучения. Кроме того, в POL-преобразователях VPT реализована простая схема регулировки выходного напряжения, благодаря которой уменьшается количество деталей, которые потребителю необходимо подготовить в ходе разработки новой высокоэффективной системы питания. Это дает конструктору большую гибкость и возможность обходиться без заказа новых деталей в случае изменения требований к напряжению. Благодаря преобразователям DVPL0503S на 3А, DVPL0505 на 5 А, DVPL0510S на 10 А и DVPL0520S на 20 А пользователь имеет возможность разработать системы электропитания различных уровней и размеров в зависимости от требований.

Современным высокопроизводительным цифровым системам также требуется сверхточная регулировка выходного напряжения с целью исключения возможного выхода из строя. Этого можно добиться путем установки POL-модулей VPT очень близко к источнику нагрузки. Это снизит изменения в цепи нагрузки, так как не будет необходимости в длинных проводах или длинных проводниках на монтажной плате. Благодаря небольшому размеру и малому весу POL-модули могут располагаться очень близко к источнику нагрузки, что экономит место, поскольку исчезает необходимость в теплоотводах.

Другая полезная функция POL-модулей – возможность задавать траекторию выхода источника на  рабочий режим (выходного напряжения). Траектория будет повторять форму напряжения на выводе Track. На рисунке 3 показан пример использования этой функции, которая необходима в том случае, когда на один источник подключается несколько потребителей питания и в момент включения они не перегружают первичный источник. Другой вариант применения, –  когда одному устройству требуется подать разное напряжение питания в определенной последовательности. Конфигурация, задержка и последовательность может изменяться в зависимости от требований вашей системы.

Если требуются более высокие параметры стабилизации, чем указанные в описании  (datasheet), то можно добавить дополнительные цепи фильтрации,  желательно конденсаторы с низким ESR. Для обеспечения оптимальной производительности рекомендуется устанавливать керамические конденсаторы близко к выходам POL-модуля. Не рекомендуется устанавливать LC-фильтр для уменьшения пульсаций, так как это может привести к нестабильной работе цепи ОС и низкочастотным колебаниям на выходе модуля. Емкостная нагрузка до 5000 мкФ исключает колебания выходного напряжения при резких скачках тока нагрузки.

Наконец, если разработчик системы стремится снизить пульсации входного тока, то на вход POL-модуля может быть подключен сглаживающий конденсатор. Верхний предел емкости конденсатора, который может быть добавлен на вход POL-модуля, отсутствует. Необходимо принимать во внимание ограничения, если POL-модуль питается от другого DC/DC-преобразователя. В таком случае для конденсатора максимальная емкость должна определяться нагрузочными способностями ведущего преобразователя.

Новая распределенная архитектура электропитания для будущих систем

Благодаря новым моделям POL-модулей на 3 А, 5 А, 10 А и 20 А, отвечающим требованиям стандартов MIL-PRF-38534 и MIL-STD-883, у современных разработчиков имеются в распоряжении более разумные и современные решения для разработки высокоэффективных систем питания, используемых в авиации, оборонной и космической отраслях, которые полностью соответствуют растущим требованиям по высокой эффективности, малому весу и низкой стоимости.

---

Для получения дополнительной информации о распределенной архитектуре энергопитания на базе POL-модулей образцов посетите интернет-сайт компании VPT: http://vpt-inc.ru.

 Заказ бесплатных образцов vpt@ptelectronics.ru