Продукция Mornsun для технологии IoT и устройств умного дома

30 ноября 2021

Константин Кузьминов (г. Заполярный)

AC/DC- и DC/DC-преобразователи производства компании Mornsun незаменимы для питания приборов, входящих в системы интернета вещей и умного дома. Высокая эффективность, экономичность и универсальность продукции Mornsun позволяют применять данные компоненты практически в любой сфере, однако миниатюрные размеры и минимальное количество внешних компонентов делают серии LS-R3 и уникальную серию K78-R4, практически не имеющую аналогов, идеальными для создания новых или усовершенствования уже действующих компонентов систем IoT и умного дома.

Проектирование устройств для технологий интернета вещей (IoT) и умного дома ставит перед разработчиком задачу выбора самого подходящего источника питания. Функционирование подобных устройств включает в себя работу различных систем, датчиков и исполнительных механизмов, поэтому требует разных вариантов питания: как от бытовой электросети переменного тока, так и от источников постоянного тока. Различный спектр задач, выполняемых устройствами IoT и умного дома, часто требует от источников питания миниатюрности исполнения, высокого КПД и безопасности. Применение готовых источников питания позволяет упростить и ускорить разработку устройства, но может быть ограничено другими факторами, например, стоимостью и габаритами. Разработка собственного импульсного преобразователя способна идеально удовлетворить требования устройства, но может потребовать значительного времени. Кроме того, подобное решение может оказаться негибким и экономически невыгодным при производстве небольших партий.

В этом случае оптимальное решение – применение в разработке собственного источника питания готовых модулей импульсного преобразователя. Это позволяет значительно сократить время проектирования и расходы производства, сохранив возможность использовать только необходимый функционал источника питания, в достаточной степени управлять его размерами и обеспечивать безопасность, эффективность и предсказуемость при эксплуатации.

Для создания изолированных источников питания небольшой мощности, подключаемых к бытовой сети 230 В, компания Mornsun предлагает модули LS-R3, представляющие собой небольшую печатную плату для вертикального (в основном) или горизонтального монтажа, на которой расположены компоненты основного ядра импульсного преобразователя: первичный диодный мост, ИС ШИМ-контроллера, трансформатор и вторичный диод. Представитель самой младшей серии LS03-13BххR3 изображен на рисунке 1.

Рис. 1. Модуль импульсного преобразователя LS03-13BххR3 производства компании Mornsun

Особенности модулей LS-R3

• широкий диапазон входного напряжения:
  • 85…305 В AC частотой 47…63 Гц;
  • 70…430 В DC для модулей LS03 и LS05;
  • 100…430 В DC для LS10.
• диапазон рабочих температур окружающей среды ‑40…85°С;
• компактный размер и малый вес;
• потребляемая мощность без нагрузки 0,1 Вт;
• защита от перегрузки по току;
• изоляция 3000/3600 В АС между первичной и вторичной цепями;
• сертификат безопасности IEC/EN/UL62368.

Семейство LS-R3 состоит из 3 групп модулей на стандартные напряжения 3,3…24 В и мощностью до 15 Вт. Основное отличие групп – мощность и размер. Кроме того, модули серий LS10-13BххR3 имеют дополнительную защиту от перенапряжения на выходе. Основные данные модулей LS-R3 приведены в таблице 1.

Таблица 1. Семейство преобразователей Mornsun серии LS-R3

Наличие индекса «F» у некоторых моделей означает, что модуль изготовлен для горизонтальной установки, к нему дополнительно прилагается переходник в виде печатной платы, выходы которой повторяют выходы модуля. Защита при перегрузке по току срабатывает в случае превышения максимума на 10%.

На графиках, изображенных на рисунке 2, показано, что максимальная нагрузка ограничена температурой окружающей среды и граничными значениями входного напряжения. Это необходимо учитывать при разработке, так как модули имеют лишь естественное воздушное охлаждение.

Рис. 2. Зависимость выходной мощности от температуры и входного напряжения модулей LS-R3

Диапазон нагрузки, при котором обеспечивается стабильность выходных параметров и высокий КПД преобразования, должен находиться в пределах 10…100%. На графиках, представленных на рисунке 3, видно, что эксплуатация преобразователей LS03-RBxx-R3 будет наиболее оптимальной при входном напряжении переменного тока в 115…230 В и при токе потребления от 40% до максимального. Схожими характеристиками обладают и остальные модули, за исключением LS10-RB05-R3, эффективность преобразования которого практически линейна в диапазоне нагрузки 10…100% (график зеленого цвета).

Рис. 3. Зависимости КПД преобразования от входного напряжения и тока нагрузки LS-R3

Чтобы на базе модуля LS-R3 построить полноценный источник питания, к нему необходимо добавить несколько внешних компонентов, определяемых условиями эксплуатации. Для построения источников питания IoT-устройств и устройств умного дома, компания Mornsun предлагает вариант, показанный на рисунке 4.

Рис. 4. Схема источника питания для устройств IoT и умного дома на основе преобразователя LS-R3

Красным пунктиром выделены модули фильтров подавления помех 3 класса и обеспечения ЭМС класса B, при необходимости соответствия другим классам их легко изменить. Для данных вариантов фильтров рекомендуемые номиналы компонентов указаны в таблице 2.

Примечание: обозначение конденсаторов дополнительными символами «X» и «Y» указывает на соответствующий класс конденсаторов. Класс X используется для подавления дифференциальных помех, Y – синфазных. К конденсаторам этих классов предъявляются повышенные требования, поэтому установка вместо них обычных конденсаторов недопустима. Классы X и Y подразделяются на два подкласса: X1 и X2, Y1 и Y2. В схеме на рисунке 4 в данном случае указан не подкласс, а позиционный номер. Поскольку устройства IoT и умного дома, как правило, запитаны от бытовой сети, допустимо применение конденсаторов подклассов X2 и Y2, рассчитанных на эксплуатацию в сетях с номинальным напряжением до 250 В. Установка конденсаторов СY обязательна, так как из-за паразитной межобмоточной емкости трансформатора и высокой частоты на выходе преобразователя образуется синфазная помеха, напряжение которой может достичь опасных для человека значений. Конденсаторы CY1 и CY2 образуют более короткий путь для помехи.

Таблица 2. Номиналы компонентов фильтров классов 3 и B

Компоненты, перечисленные в таблице 3, являются обязательными к установке. Для соответствия требованиям сертификации безопасности к конденсатору CX должен быть параллельно установлен резистор R2, рекомендуемое значение сопротивления – менее 3,8 МОм. Конденсатор C1 должен выдерживать ток пульсаций частотой 100 кГц: 200 мА для LS03-LS05 и 300 мА для LS10. Конденсаторы С2, С3 и С4 рекомендуется использовать с низким ESR.

Необязательные элементы:

• C5 – керамический конденсатор, используемый для фильтрации высокочастотного шума (обычно применяется 0,1 мкФ,50 В);
• TVS – защитный диод с напряжением в 1,2 раза больше выходного напряжения модуля.

Таблица 3. Номиналы внешних обязательных компонентов преобразователей серии LS-R3

Как правило, IoT-устройства и устройства умного дома не предполагают воздействие вибраций, однако если подобное все-таки может произойти, рекомендуется дополнительно зафиксировать модуль на основной плате при помощи специального клея. Для удобства размещения модуля на печатной плате в процессе разработки источника питания на сайте компании Mornsun доступна 3D-модель в формате STEP.

Если при проектировании устройств использование полностью готовых источников питания видится лучшим решением, то Mornsun предлагает малогабаритные инкапсулированные (залитые компаундом) импульсные преобразователи серии LD-R2 (рисунок 5), требующие минимального числа внешних компонентов.

Рис. 5. Импульсные AC/DC-преобразователи Mornsun серии LD-R2

Серия LD-R2 подразделяется по мощности на несколько групп 3…30 Вт. Мощность указана первыми двумя цифрами после обозначения «LD». Модели с префиксом «W», например, LD05-23BxxWR2, имеют проводные выводы, а с суффиксами «A2S» и «A4S» – колодку с клеммами и возможность крепления на DIN-рейку (A4S), остальные модули предназначены для выводного монтажа на печатную плату.

Особенности модулей LD-R2

• широкий диапазон входного напряжения: 85…305 В AC частотой 47…63 Гц и 100…430 В DC;
• диапазон рабочих температур окружающей среды ‑40…85°С;
• компактный размер;
• потребляемая мощность без нагрузки 0,1 Вт;
• защита от перегрузки по току;
• работоспособность на высотах до 5000 м над уровнем моря;
• пластиковый корпус, соответствующий требованиям пожаробезопасности UL94V-04;
• изоляция 3600/4000/4200 В АС между первичной и вторичной цепями;
• сертификат безопасности IEC/EN/UL62368.

Основные характеристики модулей серии LD-R2 представлены в таблице 4.

Таблица 4. Семейство преобразователей Mornsun серии LD-R2

Группа LD30-23B48R2 имеет самую высокую изоляцию между первичной и вторичной цепями – 4200 В АС, у остальных групп – 4000 В АС, за исключением группы LD03-23BxxR2P, которая выделяется среди всей серии LD-R2. В ней отсутствует защита от перенапряжения на выходе В, нет возможности эксплуатации на значительных высотах, есть вариант с выходным номинальным напряжением 6 В, она экономичнее и имеет самые малые размеры. Группа LD30-23BxxR2 дополнена вариантом LD30-23B48R2 с выходным напряжением 48 В.

Ограничение выходной мощности на границах допустимого диапазона входного напряжения по характеристикам схоже с таким же ограничением бескорпусных преобразователей серии LS-R3 (рисунок 2) и, в зависимости от моделей, различается не более чем на 10%. Для большинства преобразователей LD-R2 эффективность преобразования наиболее оптимальна в диапазоне входного напряжения 115…230 В AC и при нагрузке более 25% от максимальной выходной мощности, это видно на графиках (рисунок 6), усредненных по всем моделям внутри каждой группы. Полностью залитое компаундом исполнение позволяет эксплуатировать модули, за исключением LD03-23BxxR2P, в условиях пониженного давления на значительных высотах (рисунок 7) и накладывает несколько иные ограничения по нагрузке, в зависимости от температуры окружающей среды, чем у открытых модулей (рисунок 8).

Рис. 6. Общие графики зависимости КПД преобразования от входного напряжения и нагрузки для преобразователей LD-R2

Рис. 7. Зависимость выходной мощности LD-R2 от высоты

Рис. 8. Зависимость выходной мощности от температуры окружающей среды модулей LD-R2

Импульсные преобразователи LD-R2 являются готовыми источниками питания, и для соблюдения требований безопасности и электромагнитной совместимости бытовых устройств потребуется минимум внешних компонентов.

Компания Mornsun рекомендует схему подключения, изображенную на рисунке 9.

Рис. 9. Типовая схема источника питания с преобразователями Mornsun LD03/05-R2

Рекомендованные значения некоторых компонентов для модулей серий LD03/05-R2 указаны в таблице 5. Конденсатор С2 рекомендуется использовать с низким ESR, в таблице указана его емкость, соответствующая значению выходного напряжения преобразователя. C1 – керамический конденсатор, используемый для фильтрации высокочастотного шума, TVS – защитный диод с напряжением в 1,2 раза больше выходного напряжения модуля.

Таблица 5. Номиналы внешних компонентов для преобразователей Mornsun серий LD03/05-R2

Модули импульсных преобразователей Mornsun серий LS-R3 и LD-R2 позволяют разработчику успешно решить проблему питания широчайшего спектра устройств IoT и умного дома: от маломощного датчика до мощного привода автоматических ворот. Однако подобные устройства могут нуждаться в нескольких значениях напряжения, а также иметь возможность получать питание от аккумуляторов или иных источников постоянного тока с напряжением значительно ниже минимального для серий LS-R3 и LD-R2. Обычно для решения таких задач проектируется импульсный DC/DC-преобразователь или используется линейный стабилизатор напряжения. Первый вариант имеет высокий КПД, но достаточно сложен и может оказаться экономически невыгодным, второй значительно дешевле и проще, но в ряде случаев большой разницы между входным и выходном напряжениями крайне неэффективен. Компания Mornsun предлагает ряд импульсных неизолированных DC/DC-преобразователей, способных решить обе проблемы: за счет массового производства они дешевле самостоятельной разработки; их использование в устройствах IoT и умного дома так же просто, как применение классических линейных 78xx (именно поэтому серия этих преобразователей имеет название K78). Особенно привлекательной выглядит их способность заменить линейные стабилизаторы в уже существующих проектах с минимальными переделками, или же вообще без них. Это возможно благодаря конструктивному исполнению преобразователей – соответствию шага и назначения выводов большинству линейных стабилизаторов в корпусе TO-220. На рисунке 10 видно, что К78-R3 может не только заменить классический вариант линейного стабилизатора с радиатором, но и высвобождает дополнительное место. В ряде случаев, уменьшение высоты компонентов на 40% пропорционально уменьшает и габариты корпуса всего устройства, снижая затраты и в какой-то степени расширяя область применений, так как устройства IoT и умного дома часто интегрируются в уже существующие компоненты инфраструктуры, и их размер имеет значение.

Рис. 10. Обычный LDO и импульсный DC/DC Mornsun K78-R3

Несмотря на большое количество подгрупп в семействе DC/DC-преобразователей K78, ориентироваться в них достаточно легко: следующие две цифры после 78 означают номинальное выходное напряжение, далее трех- и четырехзначное число означает максимально возможный ток: 500, 1000 и 2000 мА. Корпусное исполнение может быть открытым или закрытым, вариантов SMD или DIP (рисунок 11).

Рис. 11. Внешний вид DC/DC-преобразователей Mornsun серии K78-R3

Особенности преобразователей K78-R3

• высокая эффективность преобразования, достигающая 96%;
• диапазон рабочих температур окружающей среды -40…85°C;
• компактный размер;
• малый потребляемый ток без нагрузки – 0,1…0,3 мА;
• защита от короткого замыкания;
• возможность у некоторых моделей инверсии полярности выхода;
• соответствие IEC60950, UL60950, EN62368.

В таблице 6 приведены некоторые основные характеристики серии K78-R3. Данные на K78xxJT-500R3-LB совершенно идентичны K78xx-500R3-LB, за исключением того, что K78xxJT-500R3-LB не имеет возможности инвертировать полярность выхода, а его размер составляет 12x12x4,5 мм.

Таблица 6. Основные характеристики DC/DC-преобразователей Mornsun серий K78-R3

Значения шума и пульсаций указаны для нагрузки по мощности свыше 20% от максимальной. При меньшей нагрузке эти значения могут быть выше. В отличие от преобразователей с током 1000 и 2000 мА, выходная мощность K78-R3 с током 500 мА максимальна почти во всем допустимом диапазоне температур, независимо от значений входного и выходного напряжений (рисунок 12).

Рис. 12. Зависимость выходной мощности от рабочей температуры преобразователей K78-R3 Mornsun

Схема подключения DC/DC серии K78 практически не отличается от схемы с использованием линейных стабилизаторов. При необходимости работы с отрицательным напряжением достаточно поменять местами подключение выводов 2 и 3 (рисунок 13) у тех моделей, которые способны инвертировать полярность выходного напряжения. В таблице 5 они указаны с вариантом отрицательного значения выходного напряжения.

Рис. 13. Схема двухполярного источника питания на базе K78-R3

При построении двухполярного питания рекомендуется устанавливать дроссель индуктивностью 10 мкГн, обозначенный на схеме как LDM, для предотвращения помех от взаимодействия двух преобразователей. Также потребуются конденсаторы – керамические или электролитические с низким ESR, с емкостью на входе 10 мкФ при входном напряжении менее 30 В и 22 мкФ при более 30 В, на выходе – 22 мкФ. Если нагрузка маломощная, для уменьшения пульсаций необходимо включить последовательно выходу индуктивность 10…47 мкГн. Следует учесть, что в случае работы преобразователя как стабилизатора отрицательного напряжения максимальный ток на выходе значительно меньше, а допустимые параметры минимального и максимального значений входного напряжения иные, чем при работе как стабилизатора положительного напряжения. Кроме того, КПД преобразования в зависимости от нагрузки в этом случае изменяется сильнее. Пример этой разницы для K78xx-500R3 представлен на графиках (рисунок 14).

Рис. 14. Сравнение графиков зависимости КПД преобразования от входного напряжения и тока нагрузки

Преобразователи K78-R3 способны эффективно решить большинство задач по обеспечению устройств IoT и умного дома. Но там, где требуется совсем малый размер, работа в более высоком температурном диапазоне, возможность подстройки напряжения и управления включением преобразователя, компания Mornsun предлагает DC/DC-преобразователи серии K78xxMT-500R4 (рисунок 15).

Особенности преобразователей K78-R4

• высокая эффективность преобразования, достигающая 92%;
• диапазон рабочих температур окружающей среды -40…105°С;
• сверхмалый размер – DFN-корпус 9,00х7,00×3,10 мм;
• малый потребляемый ток без нагрузки – 0,1 мА;
• защита от короткого замыкания;
• возможность инверсии полярности выхода;
• подстройка выходного напряжения и управление включением;
• соответствие AEC-Q100.

Рис. 15. DC/DC-преобразователь Mornsun K78xxMT-500R4 в корпусе DFN

Варианты выходных напряжения и тока у серии K78xxMT-500R4 (таблица 7) схожи с серией K78xx-500R3, но между ними есть ряд существенных отличий по характеристикам:

• ток холостого хода у K78xxMT-500R4 в 2 раза ниже и составляет 0,1 мА;
• максимальная амплитуда пульсаций у K78xxMT-500R4 всего 45 мВ, а с типовым значением 20 мВ могут сравниться только инкапсулированные варианты K78xx-500R3;
• защита от статического электричества (ESD) 6 кВ против 4 кВ у инкапсулированных и 2 кВ у открытых моделей K78xx-500R3;
• размер корпуса K78xxMT-500R4 меньше чем у самого малого варианта K78xx-500R3;
• срок службы (MTBF) более чем в 4 раза выше;
• рабочий температурный диапазон шире, и достигает 105°С.

Таблица 7. Основные характеристики DC/DC-преобразователей серий K78-R4

Типовая схема включения K78xxMT-500R4 приведена на рисунке 15. На нем можно сразу отметить два существенных отличия по функциональности от серии K78-R3:

• наличие входа (Ctrl) для включения или отключения преобразователя;
• возможность подстройки внутреннего делителя напряжения внешними резисторами.

Параметры входа управления Ctrl соответствуют TTL: выключение при напряжении 0…0.6 В, включение при 2,5…5 В.

Рис. 16. Типовая схема источника питания с применением K78-R4

Используя вход 4 и резисторы Ra1 или Ra2, можно добиться некоторой подстройки выходного напряжения. Необходимое сопротивление несложно рассчитать, зная сопротивления резисторов внутреннего делителя, их значения указаны в спецификации на серию K78-R4 для каждой модели. Если подстройка не нужна, вывод 4 преобразователя можно оставить свободным. Значения емкости и тип конденсаторов рекомендуются такие же, как и для K78-R3: 10 мкФ на вход, 22 мкФ на выход, тип – керамический или электролитический с низким ESR. Резистор R1 рекомендуется устанавливать сопротивлением 100 кОм.

Следует помнить, что если выводы 6 управления и 4 подстройки не подключены ко внешним элементам, их ESD будет 2 кВ. Для восстановления максимального ESD в 6 кВ необходимо подключить неиспользуемые выводы на землю (GND): вывод 6 через конденсатор 1 мкФ,50 В, вывод 4 через варистор 22 В,30 А.

Чтобы изменить на выходе полярность напряжения, достаточно так же, как в серии K78-R3, поменять местами выводы Vвых и GND, в данном случае это 2,5 и 3.

Зависимость максимальной мощности от рабочей температуры показана на рисунке 17.

Рис. 17. Зависимость выходной мощности от рабочей температуры K78-R4

Импульсные изолированные АС/DC- и неизолированные DС/DC-преобразователи производства Mornsun 

Благодаря универсальности, минимальному числу внешних компонентов, экономичности, компактным размерам и высокой эффективности, а также возможности не только создавать лучше новые проекты, но и модернизировать без существенных затрат уже действующие, преобразователи производства компании Mornsun оптимально вписываются в сегмент IoT-устройств промышленного и бытового назначения. Наличие серии K78-R4, аналоги которой пока отсутствуют у большинства других компаний-производителей, позволяет оптимально решить некоторые задачи по питанию IoT-устройств и устройство умного дома.

Литература

1. Compact and All-round AC/DC Converter LS-R3 Series
2. 3W cost-effective and ultra-compact AC-DC Converter—LDxx-23BxxR2P in 305RAC Family
3. 3-30W ultra-compact AC-DC Converter—LDxx-23BxxR2 in 305RAC Family
4. 3-20W Ultra-compact Cost-effective AC/DC Converter LD-R2 Series
5. New Cost-effective Switching Regulator K78-R3
6. Cost-effective Ultra-compact Non-isolated DC/DC switching regulator K78xx(JT)-500R3-LB Series
7. Compact Size Non-isolated Switching Regulators K78xxM-1000R3 Series
8. High Efficiency Non-isolated DC-DC Converter-K78xx-2000R3 Series
9. The Newest Chiplet SiP Switching Regulators K78-R4 Series