Для технологических систем и серверов: источники питания большой мощности

23 мая 2013

На сегодняшний день разработчику электронной аппаратуры редко приходится прибегать к проектированию источников питания (ИП) для своих изделий. Все основные потребности в источниках вторичного электропитания (ИВЭП) покрывают специализирующиеся на этом производители, причем их огромный опыт, технологическая база и производственные мощности практически не оставляют шансов хоть в чем-то превзойти серийные изделия.

Исключение составляют ИП особого назначения, эксклюзивные параметры которых не востребованы на широком рынке (Например, высоковольтные ИП или источники со сверхмалыми пульсациями, высокостабильные и т.п.).

Как известно, источники вторичного электропитания классифицируются по выходной мощности:

• микромощные источники питания с выходной мощностью до 1Вт,
• малой мощности (1…10Вт);
• средней мощности (10…100Вт);
• повышенной мощности (100…1000Вт);
• большой мощности (свыше 1000Вт).

Источники питания большой мощности могут быть необходимы при организации питания систем автоматического управления, телекоммуникационного оборудования, серверов вычислительных центров и др. В целом, область применения ограничивается лишь фантазией разработчика.

В статье будут рассмотрены ИП большой мощности, преобразующие переменное напряжение сети в постоянное напряжение в нагрузке. (т.е. AC/DC-преобразователи).

Рассмотрим, что предлагают нам ведущие производители ИВЭП. Основные сведения о некоторых образцах их продукции сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Популярные источники питания большой мощности  

Остановимся подробнее на некоторых источниках питания, включенных в таблицу 1, а также отметим особенности серий.

MEAN WELL, серия RSP

В таблицу 1 включен только источник мощностью 1 кВт, но в серии есть также модели мощностью 1,5; 2 и даже 3 кВт (рисунки 1, 2).

Рис. 1. Источник питания серии RSP-1000

Рис. 2. Источник питания серии RSP-3000

Преимуществами серии являются:

• широкий рабочий температурный диапазон,
• большой выбор значений выходных напряжений (12, 15, 24, 27, 48В),
• высокий КПД,
• корректор коэффициента мощности,
• хорошая стабильность выходного напряжения (0,5%),
• низкая цена.

Не обошлось и без недостатков: нет возможности «горячей» замены источника при параллельной работе модулей. А также неизбежно снижение мощности при повышенной температуре окружающей среды и сниженном входном напряжении сети.

MEAN WELL, Серия RCP

Основное отличие этой серии (рисунок 3) — конструктивное исполнение модулей, предназначенное для монтажа в 19″ стойку, и параллельная работа большого количества модулей — до 9 шт (рисунок 4). В случае использования RCP-2000 можно получить источник, способный отдать в нагрузку более 700 А при 24 В, и более 900 А при 12 В!

Рис. 3. Источник питания серии RCP

Рис. 4. Шасси для параллельной работы модулей серии RCP

Серия RCP позволяет управлять источниками по шине I²C. Компания MEAN WELL выпускает специальные аксессуары для подключения к этой шине: модули контроля и отображения информации с возможностью подключения к ПК (рисунок 5).

Рис. 5. Модуль контроля и отображения информации RCP-MU

Само собой, обе серии, RSP и RCP, оборудованы всеми типами защит, впрочем, как и все остальные источники производства этой компании.

Конструктивные особенности серий RCP и RSP явно говорят нам, в каких случаях какую серию использовать. Если стоит задача обеспечить питанием лабораторное оборудование, RSP окажется проще смонтировать: благодаря клеммным колодкам для подключения сети и нагрузки не будет сложностей с поисками разъемов. А если все оборудование располагается в 19″ стойке, и требуется параллельная работа модулей — логичнее применить серию RCP.

TDK-Lambda, серия TH/TX

Компания TDK-Lambda предлагает достойную внимания серию источников питания для монтажа в 19″ стойку — TH (рисунок 6а), номинальная мощность которой — 1200…2500 Вт. Ключевыми отличиями серии являются экстремальный температурный диапазон -40…70°С и возможность параллельной работы с «горячей» заменой модулей.

Рис. 6. Серия источников питания TH и TX от TDK-Lambda

Для применений, где требуется еще большая мощность, существует серия TX (рисунок 6б), на базе которой возможно создание кластеров из модулей общей мощностью до 22,5 кВт. В остальном эта серия повторяет все преимущества младшей линейки.

Power One, серия LPM

Интересную серию ИП представляет компания Power One. LPM616 — набор из шести модульных источников питания в одном корпусе (рисунок 7). Это позволяет гибко сформировать несколько нужных напряжений требуемой мощности в одном устройстве.

Рис. 7. Источники питания LPM616: а) вид спереди; б) тыльная сторона

Интересной особенностью каждого модуля является возможность широкой подстройки выходного напряжения таким образом, что верхняя граница подстройки «младшего» источника равна нижней границе «старшего». Это позволяет перекрыть все возможные значения напряжений 2,2…51 В с помощью всего четырех типов модулей (см. таблицу 2).

Таблица 2. Диапазоны регулировки модулей LPM616  

Можно отметить приятную особенность этих модулей — регулировка напряжения возможна даже при установленных в шасси модулях через специальные отверстия под отвертку. Еще одной удобной особенностью является возможность установки ограничения максимального выходного тока каждого модуля. При этом модули одного напряжения можно включить параллельно для увеличения отдаваемой мощности.

К LPM616 выпускается много различных удобных аксессуаров, которые упрощают монтаж и сборку модулей (рисунок 8).

Рис. 8. Результат параллельного соединения шести модулей с помощью фирменных аксессуаров Power One

Ключевым моментом при выборе данной серии может стать возможность работать с сетью переменного напряжения 400 Гц. Это востребовано в авиационной и морской технике, где пытаются бороться с лишним весом 50-герцового оборудования.

Power One, серия PFE

У компании Power One есть еще одна очень примечательная высокотехнологичная серия источников питания — PFE (рисунок 9). В этой линейке имеются модели PFE600, PFE850 и PFE1100 мощностью 600, 850 и 1100 Вт соответственно. Предназначение серии — питание высокопроизводительного сетевого и серверного оборудования напряжением 12 В.

Рис. 9. Серия PFE производства компании Power One

Отличительные особенности серии:

• КПД выше 90% при нагрузке 25, 50 и 100% Сертификация 80 PLUS Platinum* Это единственный источник в обзоре, прошедший столь престижную сертификацию.
• Дежурное напряжение, выбираемое пользователем: 3,3 или 5В, 16,5Вт.
• Полностью цифровое управление встроенным DSP, включая параллельную работу модулей, управление каскадом ККМ (PFC), вентиляторами.
• Резонансный режим переключения транзисторов
• Синхронный выпрямитель выходного напряжения вместо диодов Шоттки.
• Контроль и управление по цифровой шине I²C согласно протоколу PSMI и PMbus.
• Компактные размеры для монтажа в 19″ стойку (ширина всего 54мм).
• Возможность горячей замены при параллельной работе модулей.

Следует отметить чрезвычайно подробную документацию на эту серию: описано абсолютно все, от времени срабатывания защит до зависимости скорости вращения вентилятора от выходного тока источника. Для сравнения: документация на PFE1100-12-054xA — 25 листов, а документация на модуль SE-1000 компании MEAN WELL — всего 3 листа. Серия PFE намного сложнее и «умнее» многих других источников питания.

Рассмотрим несколько часто упускаемых из виду параметров, общих для всех источников питания, которые лишь на первый взгляд кажутся несущественными, но иногда их недопонимание или недооценка могут дорого стоить разработчику.

• Пусковой ток. Пренебрежение этим параметром влечет за собой вероятность срабатывания защитного автомата в питающей сети. Перегрузки могут быть весьма значительными, к примеру, номинальный ток питающей сети модуля PFE1100- около 10А, а пусковой ток 40А, и это- несмотря на все меры, принятые для уменьшения пускового тока в этом источнике. Нужно выбирать кратность срабатывания автомата защиты, учитывая пусковой ток всех устройств на линии (рисунок10).

Рис. 10. Пусковой ток PFE1100

• Работа при малой нагрузке (обычно- менее 5% или вовсе отсутствующей). Часто источники питания без нагрузки показывают совсем другие пульсации, уровень шума, уровни индустриальных помех.
• Работа при пониженном напряжении питающей сети. Большинство рассмотренных источников питания способно работать от 90В входного переменного напряжения, однако обязательно нужно учитывать, что в таком режиме источник уже не сможет отдать в нагрузку свою номинальную мощность (рисунок 11б).
• Работа при повышенной температуре окружающей среды имеет те же последствия, что и при пониженном напряжении сети- необходимо учитывать, что близко к значению предельной температуры воздуха мощность должна быть линейно снижена (рисунок11а).
  • Если воздействуют сразу два фактора, от 1,5 кВт источника можно будет получить лишь 600 Вт мощности.
  • На рисунке 11 показаны примеры снижения мощности для ИП MEAN WELL SPV-1500

Рис. 11. Снижение мощности для ИП MEAN WELL SPV-1500: при повышенной температуре (слева); при малой нагрузке (справа)

• Доступность сопутствующих деталей (ответных разъемов, шин и т.д.) Зачастую выбор разработчика определяется не качественными и количественными параметрами ИП, а доступностью устройства и наличием аксессуаров к нему на рынке. Например, разъемы для параллельной работы некоторых источников питания MEAN WELL купить в России труднее, чем сами источники.

Замечание по поводу плотности мощности: этот параметр характеризует достижения производителя в области миниатюризации и снижения габаритов своих изделий. Т.е., чем он больше, тем компактнее будет устройство той же мощности, но с меньшим показателем плотности. В таблицу 1 попали устройства с плотностью мощности 7,3…25 Вт/дюйм³. Но и это не предел. Например, гордостью компании Vicor является значение 120 Вт/дюйм³ (для DC/DC-преобразователей), хотя превосходство в габаритах не так однозначно: при расчетах Vicor не учитывает объем внешней системы охлаждения.

Заключение

Несмотря на относительно небольшое количество производителей мощных ИП, они выпускают все необходимое для успешной организации питания самых серьезных объектов промышленной автоматизации, центров обработки информации, телекоммуникационного оборудования. В случае недостатка мощности всегда есть возможность параллельного соединения большого количества модулей практически без потерь в эффективности преобразования энергии. В случае недостатка стандартной линейки напряжений некоторые модели допускают последовательное соединение для увеличения выходного напряжения.

В будущем количество и качество мощных ИП будет только расти. Задача разработчика — сделать правильный выбор.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: ac-dc-ac.vesti@compel.ru