Экономичность и универсальность: новые DC/DC-преобразователи MORNSUN для ответственных применений

19 августа 2022

Игорь Елисеев (г. Химки)

Высокое качество при конкурентной стоимости позволяет DC/DC-преобразователям MORNSUN конкурировать с аналогами ведущих мировых производителей. Продукция данного бренда, такая как семейство UWTH1D, может с успехом применяться в железнодорожных приложениях. Для телекоммуникационного оборудования отлично подходят DC/DC-преобразователи семейств VCB и VCF, для систем распределенного электропитания – малогабаритные импульсные PoL-стабилизаторы напряжения семейства K78, а для автоматизированных систем производства, в том числе для робототехники, незаменима серия KUB. Есть и уникальные решения, например, миниатюрный DC/DC-конвертер B0505ST16-W5 в корпусе микросхемы, предназначенный для медицинских приборов.

Сейчас практически ушло в прошлое представление о китайских товарах как о продукции весьма низкого качества. Китайские фирмы-однодневки, пытавшиеся получить конкурентные преимущества своей продукции благодаря низкой цене за счет качества, быстро потеряли рынок. Потребители этой продукции давно убедились на горьком опыте, что покупать дешевые, но низкокачественные товары крайне невыгодно: такая продукция прослужит недолго и через короткий промежуток времени потребует либо  замены на новую, либо ремонта, стоимость которого может быть сопоставима с ценой самого товара. В конечном итоге это обойдется потребителю намного дороже, чем покупка качественной продукции. В связи с этим современные китайские компании, заботящиеся о своем имидже, в первую очередь уделяют внимание вопросам качества и надежности, особенно когда речь идет о продукции промышленного назначения.

MORNSUN – известный производитель источников питания – яркий представитель этой плеяды молодых амбициозных компаний, ломающих устоявшиеся стереотипы о низком качестве китайских товаров. Продукция MORNSUN строго соответствует требованиям международных стандартов и нормативов, а по своим техническим и эксплуатационным характеристикам не уступает изделиям именитых мировых производителей. И хотя цены на приборы, производимые MORNSUN, как правило, ниже среднерыночных, эту продукцию никак нельзя относить к категории «дешевой» в негативном смысле слова.

Одной из важнейших характеристик компании MORNSUN является инновационный характер ее деятельности. Компания подала более 900 патентных заявок на изобретения, имеет права интеллектуальной собственности на интегральные микросхемы своего производства, разработала уникальную конструкцию трансформаторов и так далее. При этом MORNSUN не останавливается на достигнутом: в исследовательских лабораториях компании ведется бурная деятельность по изучению свойств материалов, постоянно совершенствуются технологии производства, разрабатываются новые виды изделий с улучшенными характеристиками и функциональными возможностями. Из числа последних разработок компании MORNSUN можно выделить несколько новых серий DC/DC-преобразователей, предназначенных исключительно или преимущественно для использования в таких областях, как железнодорожный транспорт, телекоммуникации, медицина, робототехника и системы распределенного электропитания.

DC/DC-преобразователи со сверхшироким входом для железнодорожных приложений

DC/DC-преобразователи, предназначенные для использования на железнодорожном транспорте, должны соответствовать ряду специфических требований, характерных для этой области применения. Согласно требованиям отраслевых стандартов, к наиболее важным из этих требований относятся соответствие по диапазону входных напряжений, повышенная устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам, способность работать в широком диапазоне температур окружающей среды, а также электробезопасность, электромагнитная совместимость и пожарная безопасность.

На железнодорожном транспорте используется ряд фиксированных постоянных напряжений с номиналами 24, 28, 36, 48, 72, 96 и 110 В. Диапазон допустимых отклонений от номинала определяется отраслевым стандартом EN50155, который регламентирует границы колебаний напряжения с учетом кратковременных выбросов. Согласно этому стандарту, нижняя граница диапазона определяется величиной, равной значению номинала с коэффициентом 0,6, а верхняя – с коэффициентом 1,4 (рисунок 1).

Рис. 1. Допустимые отклонения от номинального напряжения, согласно стандарту EN 50155, где Vin = Входное напряжение, Un = Номинальное напряжение

Главная особенность новых DC/DC-преобразователей для железнодорожного транспорта семейства UWTH1D заключается в том, что их диапазон входных напряжений охватывает абсолютно весь спектр, используемый в отрасли, причем с учетом допустимых отклонений, включая нижнюю границу для номинала 24 В (24 × 0,6 = 14,4 В) и верхнюю для номинала 110 В (110 × 1,4 = 154 В). Семейство UWTH1D состоит из двух серий мощность 50 и 100 Вт. Каждая из них включает в себя ряд позиций, отличающихся по номиналу выходного напряжения (12, 15, 24, 28, 48 или 54 В) и по конструктивному исполнению (без радиатора, с радиатором типа H или с радиатором типа F). Все эти параметры отражены в названиях. Полная структура наименования DC/DC-преобразователей семейства UWTH1D представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Структура наименования DC/DC-преобразователя семейства UWTH1D

Если поле «Опция» (зеленый прямоугольник на рисунке 2) пустое, то это соответствует базовому варианту исполнения – без радиатора (рисунок 3), а наличие в этом поле букв «H» или «F» свидетельствует о наличии радиатора соответствующего типа (рисунки 4 и 5).

Рис. 3. Внешний вид DC/DC-преобразователя семейства UWTH1D в базовом варианте исполнения

Рис. 4. Внешний вид DC/DC-преобразователя семейства UWTH1D с радиатором типа H

Рис. 5. Внешний вид DC/DC-преобразователя семейства UWTH1D с радиатором типа F

Базовый вариант исполнения (рисунок 3) представляет собой полностью герметизированный корпус с односторонним расположением выводов, предназначенный для установки на печатную плату. Конструкция и размеры корпуса соответствуют стандартному варианту исполнения под названием “Quarter brick” (или “1/4 brick”, дословно – «четверть кирпича»). Подобные названия (доли «кирпича») приняты альянсом DOSA (Distributed-power Open Systems Alliance – альянс открытых систем с распределенным питанием) для обозначения типовых конструктивов AC/DC- и DC/DC-конвертеров в модульном исполнении, предназначенных для установки на печатную плату. За основу приняты габариты «большого кирпича» («Full Brick») с размерами 4,6×2,4×0,5 дюймов или 116,8×61,0x12,7 мм. Остальные типоразмеры меньших габаритов обычно обозначаются дробными величинами, соответствующими примерной доле от объема «большого кирпича» – ½, ¼, 1/8, 1/16 и 1/32 brick.

Основные электрические характеристики DC/DC-преобразователей семейства UWTH1D представлены в таблице 1. Обозначения “H/F” в скобках, включенные в состав названий, свидетельствуют о том, что конвертеры с радиаторами имеют те же характеристики.

Таблица 1. Основные электрические характеристики DC/DC-преобразователей семейства UWTH1D

Сверхширокий диапазон входных напряжений – не единственное уникальное свойство DC/DC-преобразователей семейства UWTH1D. Стоит отметить оригинальное решение, связанное с реализацией функции удержания, которое, к тому же, способствует снижению величины пусковых токов. Под функцией удержания понимается способность источника питания (AC/DC- или DC/DC-конвертера) поддерживать должный уровень напряжения на выходе в течение некоторого времени после пропадания напряжения на входе. Важнейшим параметром, характеризующим это свойство, является время удержания (hold-up time). Этот параметр имеет первостепенное значение для DC/DC-преобразователей, которые работают в системе питания электрического транспортного средства, получающего электроэнергию из контактной сети. В этом случае на входе DC/DC-конвертера будут периодически возникать провалы питающего напряжения из-за кратковременных нарушений электрического контакта с сетью. Важно, чтобы длительность этих провалов не превышала время удержания источника питания.

Стандарт EN50155, который регламентирует работу электронных устройств в составе железнодорожных приложений, определяет две спецификации, в зависимости от времени удержания – по классу S2, гарантирующему сохранение выходных параметров конвертера в течение не менее 10 мс после пропадания входного напряжения, и S3, гарантирующему все то же самое, но с расчетом на 20 мс. На практике время удержания источника питания задается исходя из конкретных условий эксплуатации и обычно не превышает 10 мс, то есть соответствует классу S2.

В типовой схеме источника питания за функцию удержания отвечает конденсатор во входной цепи, а время удержания напрямую зависит от энергии, накопленной конденсатором, и от мощности нагрузки. В свою очередь энергия конденсатора прямо пропорциональна его емкости, умноженной на квадрат напряжения на его обкладках. Следовательно, чем меньше сетевое напряжение, тем больше должна быть емкость конденсатора, чтобы обеспечить требуемое время удержания.

Это создает определенные проблемы на практике: во-первых, невозможно подобрать оптимальные параметры конденсатора, так как все его основные характеристики (рабочее напряжение и емкость) придется выбирать с большим запасом, исходя из диапазона сетевых напряжений. Рабочее напряжение конденсатора должно превышать верхнюю границу этого диапазона, то есть быть больше чем номинальное напряжение сети, умноженное на коэффициент 1,4. А емкость придется выбирать из тех соображений, что энергия, накопленная в конденсаторе, даже при минимальном напряжении в сети (номинал, умноженный на коэффициент 0,6) должна быть не менее заданной величины, обеспечивающей время удержания нужной длительности. Эта избыточность параметров конденсатора приводит к существенному увеличению габаритов и, главное, к стоимости решения, так как в железнодорожных приложениях необходимо применять специальные конденсаторы, предназначенные непосредственно для работы в индустриальном диапазоне температур, которые и так стоят недешево, а завышенные значения рабочего напряжения и емкости никак не способствуют снижению цены. Помимо этого, увеличение емкости конденсатора во входной цепи приводит к соответствующему росту пускового тока в момент включения источника питания.

В связи с этим компания MORNSUN разработала универсальное решение, позволяющее использовать конденсатор одной и той же емкости на одно и то же рабочее напряжение во всем диапазоне входных напряжений 14…160 В. Кроме того, данное решение позволяет значительно снизить значение пускового тока при включении источника питания. Рисунок 6 иллюстрирует, как меняются емкости и размеры конденсаторов для обеспечения времени удержания, равного 10 мс, при мощности 100 Вт, в зависимости от сетевого напряжения – при традиционном исполнении и при применении решения от MORNSUN. На рисунке 7 показаны две схемы подключения конденсатора (в традиционном исполнении и с применением решения от MORNSUN) и соответствующие им условные графики токов и напряжений во внешних цепях источников питания.

Рис. 6. Зависимость параметров конденсатора на входе источника питания от сетевого напряжения при двух вариантах решения

Рис. 7. Подключение входного конденсатора по традиционной схеме и вариант, предложенный MORNSUN

Как показано на рисунке 7, в схеме MORNSUN конденсатор подключается к специальному выводу, обозначенному как “Ext.cap” (External capacitor – внешний конденсатор). Емкость этого конденсатора зависит только от мощности DC/DC-преобразователя и времени удержания, которое необходимо получить. В таблице 2 представлены значения емкости конденсатора в зависимости от выходной мощности конвертера для двух времен удержания – 10 и 30 мс.

Таблица 2. Емкость внешнего конденсатора в зависимости от времени удержания и мощности DC/DC-преобразователя

Рекомендуемое рабочее напряжение внешнего конденсатора – 100 В. Снижение величины пускового тока в схеме MORNSUN обусловлено тем, что зарядка внешнего конденсатора осуществляется не напрямую от цепей питания, а от внутренней схемы, ограничивающей зарядный ток.

Любой источник питания, будь то AC/DC- или DC/DC-конвертер, должен адекватно реагировать не только когда напряжение на входе полностью отсутствует, но и когда этот параметр оказывается меньше допустимого уровня. Этот уровень обычно соответствует нижней границе диапазона входных напряжений. Для железнодорожных приложений, как было сказано выше, нижняя граница диапазона определяется как номинал входного напряжения, умноженный на коэффициент 0,6. Но в случае сверхширокого входа DC/DC-конвертер «не знает» реальную величину номинального напряжения и, соответственно, не может правильно реагировать на недопустимое снижение величины входного напряжения. Вернее, он среагирует (сработает защита), только если напряжение на входе опустится существенно ниже самой нижней границы сверхширокого диапазона, примерно до уровня 11 В. В большинстве случаев это не то поведение, на которое рассчитывает пользователь. Если есть необходимость задать другую границу срабатывания защиты от недостаточного напряжения по входу, необходимо подключить резистор определенного номинала к выводу UVLO конвертера (рисунок 8).

Рис. 8. Установка уровня срабатывания защиты от недостаточного напряжения по входу с помощью внешнего резистора

Сопротивление резистора Ruvlo в килоомах вычисляется по формуле 1:

$$R_{uvlo}=\frac{182\times C}{182-C}-20\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Параметр C определяется формулой 2:

$$C=\frac{1272.35}{V-6.45},\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

где V – порог срабатывания защиты по недостаточному напряжению в Вольтах.

Также с помощью внешнего резистора можно менять в некоторых пределах выходное напряжение DC/DC-преобразователей семейства UWTH1D. В зависимости необходимости увеличить или уменьшить напряжение, применяются соответствующие схемы подключения, показанные на рисунке 9.

Рис. 9. Схемы увеличения (а) и уменьшения (б) выходного напряжения DC/DC-преобразователя с помощью внешнего резистора

В обеих схемах внешний резистор Rt подключается к выводу Trim конвертера, а второй его вывод, в зависимости от направления изменения выходного напряжения, соединяется с одной из выходных шин преобразователя. Области, обведенные на рисунке 9 пунктирной линией, представляют собой части внутренней схемы DC/DC-конвертера. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, формирующий опорное напряжение Vref величиной 2,5 В. Далее это напряжение с выхода делителя напряжения R3-Rt подается на вход Trim: на схеме а) – с понижением, на схеме б) – с повышением. Номиналы резисторов R1, R2 и R3 различаются, в зависимости от выходного напряжения конвертера (таблица 3).

Таблица 3. Номиналы резисторов R1, R2 и R3, в зависимости от выходного напряжения DC/DC-преобразователя семейства UWTH1D

Для повышения выходного напряжения по схеме а) сопротивление резистора Rt в кОм рассчитывается по формуле 3:

$$R_{t}=\frac{A\times R_{2}}{R_{2}-A}-R_{3},\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

где параметр A определяется формулой 4:

$$A=\frac{2.5\times R_{1}}{V_{o}-2.5}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Для понижения выходного напряжения по схеме б) расчет сопротивления резистора Rt в кОм выполняется по формуле 5:

$$R_{t}=\frac{B\times R_{1}}{R_{1}-B}-R_{3},\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

а параметр B вычисляется по формуле 6:

$$B=\frac{(V_{o}-2.5)\times R_{2}}{2.5}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Параметр Vo в составе этих формул означает конечную величину выходного напряжения (то есть, каким оно должно стать в результате изменения) в V.

На практике величина напряжения на нагрузке может быть заметно ниже значения на выходе конвертера. Это связано с падением напряжения на проводах, подводящих питание от источника к нагрузке. В железнодорожных приложениях расстояние от ИП до нагрузки может быть соизмеримо с длиной состава, которая может достигать нескольких км. При таких расстояниях общее сопротивление соединительных проводов становится заметной величиной. В этом случае для снижения удельного сопротивления можно было бы применить провода большего сечения или увеличить выходное напряжение источника питания. Но оба этих метода в конечном итоге не дадут желаемого результата, так как напряжение на нагрузке все равно будет нестабильным, поскольку будет меняться с изменением тока в цепи. Наилучшим решением в данном случае будет организация обратной связи по напряжению непосредственно от нагрузки обратно к источнику питания с целью корректировки его выходного напряжения. Реализация такой схемы для DC/DC-конвертеров семейства UWTH1D показана на рисунке 10.

Рис. 10. Схема компенсации падения напряжения на проводах питания

Напряжение, снимаемое непосредственно с нагрузки с помощью двух проводов (рекомендуется использовать витую пару), поступает на входы Sense+ и Sense- конвертера. Встроенный компаратор сравнивает значение этого напряжения с заданным и при необходимости выдает сигнал исполнительному устройству на корректировку выходного напряжения конвертера. В случае, если данная функция не используется, необходимо объединять соответствующие выводы обратной связи и выходные шины конвертера: Sense+ с +Vo и Sense- с -Vo.

Еще одной функциональной особенностью DC/DC-преобразователей семейства UWTH1D является возможность дистанционного управления (включения и выключения) конвертера. Для этого предусмотрен вывод Ctrl. Если этот вывод ни к чему не подключен или на него подается напряжение 3,5…12 В – то конвертер включен, если же этот вывод подключен к минусовой шине входной цепи или на него подается напряжение не выше 1,2 В – конвертер отключается. Рекомендуется подключать этот вывод к открытому коллектору транзистора внешней схемы управления, как показано на типовой схеме включения (рисунок 11).

Рис. 11. Типовая схема включения DC/DC-преобразователей семейства UWTH1D

Для увеличения нагрузочной способности DC/DC-преобразователи семейства UWTH1D можно объединять в параллель по выходу. Схема объединения двух конвертеров показана на рисунке 12.

Рис. 12. Схема объединения DC/DC-конвертеров в параллель по выходу

Разумеется, все объединенные в параллель конвертеры должны быть идентичными моделями из одной серии на одно и то же выходное напряжение.

Еще одна важнейшая особенность DC/DC-преобразователей семейства UWTH1D, о которой обязательно нужно знать: они построены по схеме изолирующих конвертеров. Это означает, что входы и выходы этих приборов гальванически развязаны, то есть никак не связаны электрически. Это является крайне важным с точки зрения электробезопасности, поскольку повышает степень защиты пассажиров и персонала от поражения электрическим током. Кроме этого, в конструкции преобразователей семейства UWTH1D применены специальные технические решения, улучшающие параметры изоляции. Например, напряжение изоляции у конвертеров этого семейства намного превосходит значение 1500 В, рекомендованное стандартом EN50155. Также следует отметить сверхширокий диапазон рабочих температур, верхняя граница которого достигает 105°C, что намного выше типичных значений для приборов индустриального назначения. Эти и другие технические и эксплуатационные характеристики данных DC/DC-преобразователей представлены в таблице 4.

Таблица 4. Основные технические и эксплуатационные характеристики DC/DC-преобразователей семейства UWTH1D

DC/DC-преобразователи для телекоммуникационного оборудования

Новые семейства DC/DC-преобразователей VCB и VCF предназначены для использования в современном телекоммуникационном оборудовании, в том числе, что особо подчеркивает производитель, приспособлены для работы в составе оборудования для сетей поколения 5G. Представители этих семейств отличаются компактным исполнением, высокой эффективностью, малым энергопотреблением, низким уровнем шумов на выходе, гальванической развязкой между входом и выходом, высоким напряжением изоляции и широким диапазоном рабочих температур. Данные DC/DC-конвертеры полностью соответствуют стандарту EN62368 для коммуникационного технологического оборудования и отвечают требованиям DOSA по конструктивному исполнению.

Семейство изолированных DC/DC-преобразователей VCB представлено рядом серий на номинальное входное напряжение 48 В, отличающихся по мощности (3, 6, 10, 20, 30, 100 и 200 Вт) и конструктивному исполнению. Приборы серий на 3 и 6 Вт выполнены в формате SIP (Single In-line Package) – в корпусе с однорядным расположением штырьковых выводов на одной из сторон в открытом варианте исполнения на печатной плате (рисунок 13).

Рис. 13. Внешний вид DC/DC-преобразователей семейства VCB на 3 и 6 Вт

Остальные представители семейства также представлены в открытом варианте: серии на 10, 20, 30 Вт (рисунок 14) и одна из серий на 100 Вт (рисунок 15) выполнены в формате “1/16 brick”, еще одна серия на 100 Вт выполнена в формате “1/8 brick” (рисунок 16), а серия на 200 Вт – в формате “1/4 brick” (рисунок 17).

Рис. 14. DС/DC-преобразователи семейства VCB на 10 (а), 20 (б) и 30 Вт (в) в формате «1/16 brick»

Рис. 15. DC/DC-преобразователи семейства VCB на 100 Вт в формате «1/16 brick»: а) без радиатора; б) с радиатором

Рис. 16. DC/DC-преобразователи семейства VCB на 100 Вт в формате «1/8 brick»: а) без радиатора; б) с радиатором

Рис. 17. DC/DC-преобразователи семейства VCB на 200 Вт в формате «1/4 brick»

Наименование DC/DC-конвертеров семейства VCB указывает на выходную мощность, номинальное выходное напряжение и содержит буквы, условно обозначающие вариант исполнения: “S” для типа SIP, “SB” для форм-фактора “1/16 brick”, “EB” для “1/8 brick” и “QB” для “1/4 brick”. В названиях вариантов с радиатором типа F, изображенных на рисунках 15 и 16, содержится буква “F”. В серии на 100 Вт в форм-факторе “1/16 brick” доступна опция “негативная логика сигнала Ctrl”, означающая, что логика управления конвертером по входу Ctrl изменена на противоположную по сравнению со стандартным вариантом (что будет рассмотрено ниже). При наличии этой опции в конце названия дополнительно появятся символы “-N”. Общая структура наименования DC/DC-преобразователей семейства VCB представлена на рисунке 18.

Рис. 18. Структура наименования DC/DC-преобразователей семейства VCB

Номинальное входное напряжение для DC/DC-преобразователей семейства VCB — 48 В, что соответствует примерно середине достаточно широкого рабочего диапазона с соотношением границ порядка 2:1, составляющего 36…75 В. Другие основные электрические параметры конвертеров семейства сведены в таблицу 5.

Таблица 5. Основные электрические характеристики DC/DC-преобразователей семейства VCB

DC/DC-преобразователи мощностью 20 Вт и выше обладают функцией компенсации потерь на проводах питания нагрузки. Для этой цели их снабдили входами обратной связи по напряжению: Sense+ и Sense-. Принцип работы этой функции точно такой же, как и у ранее рассмотренных серий, схема подключения тоже ничем не отличается (рисунок 10). Аналогичным образом в случае, если данная функция не используется, необходимо объединять входы обратной связи с выходными шинами соответствующей полярности: Sense+ с +Vo и Sense- с -Vo.

Функция регулировки выходного напряжения тоже предусмотрена, но только для конвертеров с мощностью не менее 20 Вт. И так же, как и у DC/DC-преобразователей для железнодорожного транспорта, у них регулировка выходного напряжения осуществляется с помощью подключения внешнего резистора, но с точностью до наоборот. Здесь для увеличения выходного напряжения резистор подключается между выводом Trim и выходной шиной положительной полярности, а для уменьшения – между Trim и «минусом» (рисунок 19).

Рис. 19. Схема регулировки выходного напряжения DC/DC-преобразователей семейства VCB: а) увеличения; б уменьшения

Отличаются и формулы для расчета сопротивления внешнего резистора. Сначала вычисляется относительная величина изменения выходного напряжения в процентах (формула 7):

$$\Delta \%=\left(\frac{V_{nom}-V_{out}}{V_{nom}} \right)\times 100,\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

где:

• Vnom – номинальное выходное напряжение конвертера;
• Vout – напряжение, которое требуется получить.

Для увеличения выходного напряжения сопротивление внешнего резистора в кОм рассчитывается по формуле 8:

$$R_{t}=\frac{5.11\times V_{nom}\times (100+\Delta \%)}{1.225\times \Delta \%}-\frac{511}{\Delta \%}-10.22\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

В случае уменьшения напряжения сопротивление резистора в кОм вычисляется по формуле 9:

$$R_{t}=\frac{511}{\Delta \%}-10.22\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

Во всех без исключения DC/DC-преобразователях семейства VCB предусмотрена функция дистанционного управления (включения и выключения). Также для всех, кроме конвертера на 100 Вт в формате “1/16 brick” (VCB48_SBO-100W), включение осуществляется подачей на вход Ctrl логического сигнала высокого уровня напряжением 3,5…12 В (но также можно оставить этот вход открытым), а выключение производится сигналом низкого уровня, когда напряжение на входе Ctrl не превышает 1,2 В. У конвертеров серии VCB48_SBO-100W сигналом высокого уровня считается напряжение в диапазоне 4,5…12 В. Кроме этого, для приборов данной серии предусмотрена опция “негативная логика сигнала Ctrl”, означающая альтернативную логику управления, при которой конвертер включается подачей логического сигнала низкого уровня на вход Ctrl, а выключается сигналом высокого уровня.

Важнейшей характеристикой источников питания, используемых в телекоммуникационной аппаратуре, является уровень шумов на выходе. У DC/DC-преобразователей семейства VCB этот показатель крайне низок, типовое значение размаха напряжения сигнала шумов составляет всего порядка 100 мВ. Следует отметить еще две характерные особенности этого семейства: высокую эффективность при малой нагрузке и малое энергопотребление на холостом ходу. Данные параметры особенно важны для мобильной телекоммуникационной аппаратуры, питающейся от автономного источника тока. Эта аппаратура может большую часть времени находится в режиме ожидания, почти не потребляя энергии, поэтому собственное энергопотребление DC/DC-конвертеров в этом случае играет важную роль. Первый параметр (эффективность при малой нагрузке) не нормируется производителем, но в технической документации часто приводятся графики зависимости коэффициента полезного действия (КПД) от величины нагрузки. По ним можно судить, что при нагрузке в 10% для серий на 10 и 20 Вт КПД не меньше 70%, для 30-ваттной серии КПД уже в районе 80%, а для серий на 100 и 200 Вт попадает в диапазон 85…90%. Второй параметр можно оценить по величине потребляемого тока при отсутствии нагрузки. Этот и другие технические и эксплуатационные параметры конвертеров семейства VCB представлены в таблице 6.

Таблица 6. Основные технические и эксплуатационные характеристики DC/DC-преобразователей семейства VCB

Семейство VCF содержит только одну серию на 400 Вт. DC/DC-преобразователи этой серии выполнены по схеме изолированного конвертера и рассчитаны на номинальное входное напряжение 48 В (полный рабочий диапазон составляет 36…75 В), а линейка выходных напряжений включает четыре номинала: 12, 15, 24 и 28 В. Они отличаются повышенным значением напряжения изоляции, высоким КПД и возможностью работать в широком температурном диапазоне. Конструктивное исполнение приборов соответствует стандартному формату “1/4 brick”. Конвертеры семейства VCF выпускаются в трех вариантах исполнения:

• в базовом — без радиатора (рисунок 20);
• с радиатором типа H (рисунок 21);
• с радиатором типа F (рисунок 22).

Рис. 20. DC/DC-преобразователь семейства VCF в базовом исполнении

Рис. 21. DC/DC-преобразователь семейства VCF с радиатором типа H

Рис. 22. DC/DC-преобразователь семейства VCF с радиатором типа F

В названиях конвертеров семейства VCF также отражается номинал выходного напряжения и опционально – буквы «H» или «F» при наличии радиатора. Полная структура наименования представлена на рисунке 23.

Рис. 23. Структура наименования DC/DC-преобразователей семейства VCF

Основные электрические характеристики семейства представлены в таблице 7.

Таблица 7. Основные электрические характеристики DC/DC-преобразователей семейства VCF

Необходимо отметить, что для обеспечения стабильности выходных характеристик производитель рекомендует всегда подключать на выход конвертера конденсатор емкостью не менее 470 мкФ.

По своим функциональным возможностям DC/DC-конвертеры семейства VCF полностью аналогичны представителям семейства VCB – у них тоже имеется вход Ctrl, позволяющий дистанционно управлять конвертером (включение – высокий логический уровень, 3,3…12 В, выключение – низкий уровень, 0…1,2 В), также имеются входы Sense+ и Sense- для обратной связи по напряжению. Схема изменения выходного напряжения с помощью внешнего резистора тоже точно такая же, причем и формулы для расчета полностью совпадают.

Технические и эксплуатационные характеристики семейства VCF (таблица 8) по большому счету тоже мало чем отличаются от рассмотренного выше семейства VCB.

Таблица 8. Основные технические и эксплуатационные характеристики DC/DC-преобразователей семейства VCF

Для медицинских приложений – изолированный DC/DC-конвертер в интегральном исполнении

Инженерам компании MORNSUN удалось создать нечто феноменальное – изолированный DC/DC-преобразователь с напряжением изоляции 5000 В в корпусе микросхемы! Данный уникальный конвертер, изображенный на рисунке 24, называется B0505ST16-W5.

Рис. 24. Изолированный DC/DC-конвертер B0505ST16-W5

Это самая настоящая микросхема в корпусе для поверхностного монтажа SOIC16 с габаритными размерами 10,3х10,3х2,5 мм. Просто удивительно, как сотрудникам MORNSUN удалось разместить в этих габаритах изолированный конвертер, в состав которого должен входить как минимум один трансформатор. Не меньшее удивление вызывает и тот факт, что при столь малых размерах удалось получить такое высокое значение напряжения изоляции, что является главной причиной, по которой данное изделие рекомендуется для использования в медицинском оборудовании. Требования к медицинским электроприборам изложены в стандарте EN60601-1. Данный стандарт определяет категории средств защиты от поражения электрическим током для пациента и оператора, обозначаемые, соответственно, как MOPP (Means Of Patient Protection) и MOOP (Means Of Operator Protection). Согласно этому стандарту, различают два уровня защиты для каждой из категорий: второй уровень представляет не менее чем двойную степень изоляции в сравнении с первым уровнем. В связи с этим защиту второго уровня часто называют двойной защитой и обозначают цифрой 2, за которой через пробел или знак умножения следует название категории, например, “2 MOPP” или “2xMOPP”. Стандарт определяет как физические параметры изоляции, такие как расстояние между двумя токоведущими проводниками в воздухе или через изолятор, так и главный электрический параметр – напряжение изоляции. В таблице 9 представлены категории и уровни защиты, согласно стандарту EN60601-1, и соответствующие им напряжения изоляции.

Таблица 9. Напряжения изоляции в соответствии с требованиями стандарта EN60601-1

Как видим, по напряжению изоляции конвертер B0505ST16-W5 в полной мере соответствует самым жестким требованиям стандарта EN60601-1 и даже превосходит их с большим запасом. Благодаря этому он идеально подходит для использования в любом медицинском электрооборудовании, в том числе предназначенном для непосредственного контакта с пациентом.

Мощность конвертера невелика – всего 0,5 Вт, но при таких миниатюрных размерах вряд ли можно было ожидать большего. Коэффициент полезного действия, как будет показано ниже, также не слишком большой, и это тоже связано с размерами прибора – в таких габаритах сложно создать высокоэффективный преобразователь. Но, с учетом минимальной мощности конвертера, потери энергии даже при очень низком КПД по абсолютной величине будут ничтожно малы, так что не следует придавать этому факту большое значение. Важно то, что благодаря миниатюрным размерам и высокому напряжению изоляции этот конвертер можно использовать в составе малогабаритных датчиков, предназначенных для непосредственного контакта с кожей пациента.

Входное напряжение конвертера должно находится в диапазоне 4,5…5,5 В, а выходное задается с помощью подключения вывода Trim – напрямую или через резистор – к одной из выходных шин преобразователя. Рисунок 25 иллюстрирует четыре возможные схемы подключения для получения, соответственно, четырех фиксированных значений выходного напряжения:

а) 3,3 В – вывод Trim подключен напрямую к шине «минус»;
б) 3,7 В – вывод Trim подключен к шине «минус» через резистор R;
в) 5,0 В – вывод Trim подключен напрямую к шине «плюс»;
г) 5,4 В – вывод Trim подключен к шине «плюс» через резистор R.

Рис. 25. Установка выходного напряжения DC/DC-конвертера B0505ST16-W5

Сопротивление резистора R на схемах (б) и (г) рисунка 25 должно составлять 100 кОм.

Основные электрические характеристики конвертера B0505ST16-W5, в зависимости от выходного напряжения, представлены в таблице 10.

Таблица 10. Основные электрические характеристики конвертера B0505ST16-W5

Вывод Ctrl конвертера B0505ST16-W5 предназначен, как и предполагается, для дистанционного управления: прибор включен, когда на этот вывод подается напряжение положительной полярности в диапазоне 2,0…5,5 В, и отключен, когда значение управляющего напряжения опускается ниже 0,8 В.

Основные технические и эксплуатационные характеристики конвертера представлены в таблице 11.

Таблица 11. Основные технические и эксплуатационные характеристики DC/DC-преобразователя B0505ST16-W5

Мощные DC/DC-преобразователи с широким входом и полностью регулируемым выходом

Новые DC/DC-преобразователи серии KUB выполнены по схеме неизолированного buck-boost, или понижающе-повышающего конвертера. Такая схема построения позволила наделить их уникальной возможностью раздельной регулировки тока и напряжения на выходе, причем в очень широких пределах. С учетом того, что эти регулировки можно осуществлять дистанционно с помощью внешнего управляющего напряжения, данные приборы найдут широкое применение в автоматизированных системах производства. Сам производитель позиционирует эти конвертеры преимущественно для использования в области робототехники, где часто возникают ситуации, когда необходимо менять выходные параметры источника питания динамически в процессе работы, то есть «на лету».

Конвертеры серии KUB выпускаются в полностью герметизированном корпусе формата “1/8 brick”. Опционально приборы могут иметь смонтированный на внешней стороне корпуса радиатор типа F. На рисунке 26 представлен внешний вид конвертера серии KUB в базовом варианте исполнения (без радиатора), а на рисунке 27 – вариант с радиатором.

Рис. 26. DC/DC-преобразователь серии KUB в базовом варианте исполнения

Рис. 27. DC/DC-преобразователь серии KUB в варианте исполнения с радиатором типа F

Для конвертеров серии KUB предусмотрена еще одна опция, касающаяся способа регулировки выходных тока и напряжения. Если в базовом варианте исполнения можно управлять выходными параметрами дистанционно в динамическом режиме, то в варианте с опцией RS такие выходные параметры, как ток и напряжение, задаются с помощью внешних резисторов, что, по сути, превращает конвертер в нерегулируемый источник питания с фиксированными значениями тока и напряжения на выходе. Приборы с данной опцией обозначаются символами “-RS” в конце названия. Полная структура наименования DC/DC-преобразователей серии KUB представлена на рисунке 28.

Рис. 28. Структура наименования DC/DC-конвертеров серии KUB

Номинальные значения входного и выходного напряжений, обозначенные в наименовании конвертера, указывают примерно на средние значения рабочих диапазонов для этих напряжений. Рабочий диапазон входных напряжений для конвертеров серии KUB начинается с 9 В и заканчивается на уровне 60 В, что позволяет использовать эти приборы в промышленных системах с самыми популярными номиналами питающих напряжений: 12, 24 и 48 В. Что касается выходного напряжения конвертеров, то его можно регулировать в диапазоне 3,3…60 В. Для этой цели используется вход конвертера Vset. В базовом варианте исполнения на этот вход подается управляющее напряжение, а в варианте с опцией RS к нему подключается внешний резистор.

Зависимость величины выходного напряжения от управляющего на входе Vset иллюстрирует график на рисунке 29.

Рис. 29. Зависимость выходного напряжения конвертера серии KUB в базовом исполнении от напряжения на входе Vset

Как видно из графика, зависимость выходного напряжения от управляющего носит чисто линейный характер и выражается простой формулой 10:

$$V_{o}=60.9-25.9\times V_{f},\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

где:

• Vo – это напряжение на выходе конвертера;
• Vf – управляющее напряжение на входе Vset.

Отсюда следует, что зависимость управляющего напряжения от выходного будет выражаться формулой 11:

$$V_{f}=\frac{60.9-V_{o}}{25.9}\qquad{\mathrm{(}}{11}{\mathrm{)}}$$

Исходя из этой зависимости, чтобы уложиться в рабочий диапазон выходных напряжений 3,3…60 В, управляющее напряжение Vf должно находиться в пределах примерно 0,035…2,22 В. При этом в технической документации на конвертер сказано, что вывод Vset ни в коем случае не должен находиться в открытом состоянии, следовательно, на него в обязательном порядке надо подавать напряжение из вышеуказанного диапазона.

Для варианта с опцией RS предусмотрены две схемы подключения, в зависимости от того, в каком направлении следует изменить выходное напряжение – повысить или понизить по отношению к среднему значению. За среднее значение принята величина 30 В, поскольку именно такое напряжение будет на выходе конвертера с опцией RS, когда вывод Vset ни к чему не подключен. Схемы подключения для повышения и понижения выходного напряжения представлены на рисунках 30 и 31, соответственно.

Рис. 30. Схема повышения выходного напряжения конвертеров серии KUB с опцией RS

Рис. 31. Схема понижения выходного напряжения конвертеров KUB с опцией RS

Значение выходного напряжения в случае повышения рассчитывается по формуле 12:

$$V_{o}=60-\frac{29.934\times R_{up}}{2.87+R_{up}},\qquad{\mathrm{(}}{12}{\mathrm{)}}$$

где Rup – сопротивление в кОм.

Величина выходного напряжения в случае понижения определяется формулой 13:

$$V_{o}=\frac{30.066\times R_{down}+172.19}{74.046+R_{down}},\qquad{\mathrm{(}}{13}{\mathrm{)}}$$

где Rdown – сопротивление в кОм.

Выходной ток конвертера определяется значением напряжения на входе Iset в случае базового варианта исполнения или номиналами сопротивлений, подключенных к этому входу в варианте с опцией RS. Зависимость величины выходного тока от напряжения на входе Iset в базовом варианте представлена на рисунке 32.

Рис. 32. Зависимость выходного тока конвертера серии KUB в базовом исполнении от напряжения на входе Iset

Данная зависимость может быть выражена формулой 14:

$$I_{o}=5\times V_{f}-0.3,\qquad{\mathrm{(}}{14}{\mathrm{)}}$$

где:

• Io – выходной ток в А;
• Vf – напряжение на входе Iset.

Соответственно, зависимость управляющего напряжения Vf от выходного тока будет выражаться формулой 15:

$$V_{f}=\frac{I_{o}+0.3}{5}\qquad{\mathrm{(}}{15}{\mathrm{)}}$$

Следовательно, чтобы регулировать ток на выходе в пределах 0…10 А, управляющее напряжение на входе Iset должно находиться в границах диапазона 0,06…2,06 В, а оставлять вывод Iset в открытом состоянии, согласно технической документации, недопустимо.

Для варианта с опцией RS возможны две схемы подключения: одна для регулировки выходного тока во всем диапазоне 0…10 А (рисунок 33), другая, более простая – для регулировки в диапазоне 5…10 А (рисунок 34).

Рис. 33. Схема регулировки выходного тока в диапазоне 0…10 А для конвертеров серии KUB с опцией RS

Рис. 34. Схема регулировки выходного тока в диапазоне 5…10 А для конвертеров серии KUB с опцией RS

Для схемы, представленной на рисунке 33, при напряжении Vf, равном 5 В и сопротивлении R1, составляющем 10 кОм, выходной ток вычисляется по формуле 16:

$$I_{o}=11.925-\frac{270.73\times R_{2}}{10.59\times R_{2}+88.79},\qquad{\mathrm{(}}{16}{\mathrm{)}}$$

где R2 – сопротивление в кОм.

Для схемы на рисунке 34 расчет выходного тока осуществляется по формуле 17:

$$I_{o}=\frac{1209}{3\times R_{2}+155.82}+4.87,\qquad{\mathrm{(}}{17}{\mathrm{)}}$$

где R2 – сопротивление в кОм.

У конвертеров серии KUB предусмотрен отдельный вывод Imon, предназначенный для дистанционного контроля за выходным током. Напряжение на этом выводе определяется формулой 18:

$$V_{imon}=\frac{3.64+0.67\times I_{o}}{4.568},\qquad{\mathrm{(}}{18}{\mathrm{)}}$$

где Io – выходной ток в А.

Вывод Ctrl управляется инверсным сигналом TTL-уровня: напряжение низкой величины (менее 0,8 В) конвертер включает, а высокого уровня (1,8…5,0 В) – выключает.

Основные технические и эксплуатационные характеристики конвертеров серии KUB представлены в таблице 12.

Таблица 12. Основные технические и эксплуатационные характеристики конвертеров серии KUB

Малогабаритные экономичные DC/DC-конвертеры в системах распределенного электропитания

Концепция распределенного электропитания подразумевает наличие у каждого прибора или узла системы своего собственного источника питания, подключенного к общей силовой шине. Такие индивидуальные источники питания располагаются внутри системы в непосредственной близости от потребителя, а чаще всего просто включаются в состав устройства. Линейка таких DC/DC-конвертеров, предназначенных для включения в состав устройства, а точнее – для установки непосредственно на печатную плату, входит в состав семейства K78 и представляет собой малогабаритные DC/DC-преобразователи с небольшим энергопотреблением и высоким КПД, предназначенные для работы в широком диапазоне входных напряжений. Семейство состоит из двух серий, главным образом отличающихся конструктивным исполнением. Приборы первой серии, обозначим ее как просто K78, производятся в открытом исполнении с однорядным расположением выводов (SIP) для монтажа в отверстия печатной платы. Вторая серия – K78_JT – также включает в себя приборы в открытом исполнении, но в конструктиве для поверхностного монтажа (SMD). Внешний вид конвертеров этих серий представлен на рисунках 35 и 36.

Рис. 35. DC/DC-конвертеры семейства K78 в конструктиве SIP

Рис. 36. DC/DC-конвертеры семейства K78 в конструктиве SMD

Структура наименования конвертеров этого семейства представлена на рисунках 37 (серия K78) и 38 (серия K78_JT).

Рис. 37. Структура наименования конвертеров серии K78

Рис. 38. Структура наименования конвертеров серии K78_JT

Номинальное выходное напряжение в названиях конвертеров представлено следующими обозначениями: «03» для 3,3 В, «05» для 5 В, «X6» для 6,5 В, «09» для 9 В, «12» для 12 В и «15» для 15 В.

По сути, DC/DC-конвертеры этого семейства представляют собой стабилизаторы напряжения и, как показано на рисунке 35, имеют только три внешних вывода: вход, выход и общий. Но при этом конвертеры серии K78 обладают очень необычной способностью выдавать напряжение как положительной, так и отрицательной полярности, в зависимости от схемы подключения. На рисунке 37 показана схема включения с положительным напряжением на выходе, на рисунке 38 – с отрицательным, а на рисунке 39 представлена схема организации двухполярного питания на базе двух одинаковых конвертеров серии K78.

Рис. 39. Схема включения конвертера серии K78 с положительным напряжением на выходе

Рис. 40. Схема включения конвертера серии K78 с отрицательным напряжением на выходе

Рис. 41. Схема получения двухполярного питания на базе двух конвертеров серии K78

Электрические характеристики конвертеров серии K78 частично зависят от схемы включения (таблица 13), которую можно определить по полярности выходного напряжения. Типовое значение КПД в таблице представлено в двух вариантах для граничных значений входного напряжения: минимального (Vin min) и максимального (Vin max).

Таблица 13. Основные электрические характеристики конвертеров серии K78

Основные электрические характеристики конвертеров серии K78_JT представлены в таблице 14. Значение КПД также дано для граничных значений входного напряжения, а выходное представлено только положительными значениями, так как конвертеры этой серии поддерживают только базовый вариант включения.

Таблица 14. Основные электрические характеристики конвертеров серии K78_JT

Основные технические и эксплуатационные характеристики конвертеров семейства K78 по сериям представлены в таблице 15.

Таблица 15. Основные параметры конвертеров серий K78 и K78_JT

Мы рассмотрели лишь наиболее типичные сферы применения DC/DC-преобразователей производства компании MORNSUN. Область их использования намного шире. Например, приборы для железнодорожных приложений можно с успехом применять на любых транспортных средствах, а также в индустриальных приложениях с особо тяжелыми условиями эксплуатации. Это достигается благодаря тому, что продукция MORNSUN полностью соответствует требованиям международных стандартов. При этом стоимость DC/DC-преобразователей этого бренда очень демократична, что позволяет успешно конкурировать с ведущими мировыми производителями аналогичной продукции.