№6 / 2019 / статья 6

Всегда ли выгодна схема DC/DC-преобразователя на дискретных компонентах?

Святослав Зубарев (г. Смоленск)

Благодаря уменьшению стоимости, габаритов и улучшению характеристик модульные DC/DC-преобразователи все чаще заменяют решения на дискретных компонентах. Пример – обновленная линейка R3 от Mornsun.

Одной из первостепенных задач, которые должен решить разработчик при создании электронного устройства, является задача обеспечения частей схемы необходимым уровнем напряжения. Как правило, в устройстве всегда есть основной источник постоянного тока, поэтому одним из предпочтительных способов получения необходимого уровня напряжения является использование DC/DC-преобразователей.

Каждое конкретное устройство предъявляет свои требования к преобразователю, такие как цена, габариты, эффективность, скорость разработки и прочее. Данные требования зачастую противоречат друг другу, и разработчик сталкивается с выбором: создавать собственный преобразователь или подобрать модульное решение с соответствующими характеристиками.

Модульные DC/DC-преобразователи позволяют значительно упростить процесс разработки и изготовления конечных устройств, в связи с чем многие производители электронных компонентов включают в номенклатуру производимых решений эти изделия. Одним из таких производителей является компания Mornsun. Она производит источники питания, различные аксессуары для них, а также модули интерфейсов и микросхемы (рисунок 1). Основными направлениями компании являются DC/DC- и AC/DC-преобразователи, доступные в широком мощностном диапазоне и в разных конструктивах.

Рис. 1. Продукция Mornsun

Рис. 1. Продукция Mornsun

Преимущества модульного решения

Применение модульных DC/DC-преобразователей предоставляет разработчику альтернативу создания собственного решения на дискретных компонентах. При создании дискретного решения могут возникнуть ошибки и необходимость доработок, что в конечном итоге увеличивает продолжительность разработки. Особенно это заметно при разработке импульсных DC/DC-преобразователей, которые имеют более сложную конструкцию, чем линейные, и требуют, помимо прочего, удовлетворения требований электромагнитной совместимости. Последнее связано с тем, что некорректное расположение компонентов на схеме во время разработки может вызвать появление паразитных индуктивно-емкостных связей, которые не видны на схеме.

Также на возможность ошибки или необходимость внесения изменений при разработке и производстве влияет количество используемых компонентов: чем их меньше, тем проще выглядит схема и тем меньше шагов при монтаже. Использование модульных решений помогает избежать ошибок, сделать сборку изделий проще, снизить процент брака и увеличить общую надежность выпускаемой продукции. Исследования показали, что использование DC/DC-преобразователей модульного типа сокращает время разработки узла на 45% по сравнению с дискретными решениями, что может стать определяющим фактором при выводе изделий на рынок и отразиться на получаемой прибыли.

Тем не менее, основным преимуществом создания собственных преобразователей на дискретных компонентах, как правило, является выигрыш в цене за единицу продукции. Однако данный выигрыш основан только на расчете цены самих компонентов, без учета затрат на производство и разработку. Построение собственного дискретного решения оправдано в случае массового производства, когда цена отдельно взятой единицы продукции оказывает значительное влияние на всю партию. Другим фактором в пользу применения дискретных решений является создание устройств с длительным жизненным циклом, так как применение модулей в данном случае способно спровоцировать вынужденную модификацию изделия.

При составлении экономической части стоит также помнить о цене закупки и последующего хранения компонентов: увеличение количества позиций в спецификации влечет за собой дополнительные расходы на хранение и обслуживание каждой позиции. Таким образом, использование модульных решений за счет сокращения позиций позволяет получить выигрыш в «стоимости владения». Кроме того, при создании решений, требующих точного подбора компонентов, может быть затруднительно найти их все у одного поставщика (особенно это касается моточных элементов), что создает проблемы в вопросах доставки и наличия на складе.

Подводим итог: основные преимущества использования модульных DC/DC-преобразователей это:

  • упрощение процесса разработки и, как правило, повышение надежности и эффективности изделия;
  • сокращение времени вывода конечного продукта на рынок за счет упрощения разработки и сокращения количества поставляемых элементов;
  • наличие широкого спектра изделий, позволяющего точно подобрать модуль с необходимыми характеристиками, а не разрабатывать его с нуля;
  • упрощение процесса обратной связи с производителем и поставщиком, а также сертификации конечного изделия.

Преобразователь на дискретных компонентах vs модульный DC/DC Mornsun

Наиболее часто встречающейся схемой на дискретных компонентах в сфере DC/DC-преобразователей является схема Ройера (двухтактная схема с самовозбуждением (рисунок 2) или ее разновидности.

Рис. 2. Схема Ройера

Рис. 2. Схема Ройера

Схема имеет малую стоимость, и для ее построения не требуется большого набора компонентов, однако сама по себе она не имеет защиты от КЗ, обладает «жестким» стартом (при включении возникает импульс тока в несколько раз выше номинального, что может спровоцировать выход из строя транзисторов), а также, в случае построения решения 5-5 В, 1 Вт, имеет допустимую величину емкости нагрузки около 200…300 мкФ, что на практике может быть недостаточным, например, при подключении конденсатора для снижения перепадов выходного напряжения в случае работы нагрузки в импульсном режиме со скачками тока повышенного значения.

Схема Ройера характеризуется высоким КПД при работе на полной нагрузке, но ее эффективность значительно снижается при работе на холостом ходу или при небольших нагрузках. Ток холостого хода (ХХ) в решениях, построенных на основе данной схемы, достигает величины 15…30 мА, что противопоказано для оборудования, работающего от аккумуляторов или других автономных источников питания. Также нагрузка, подключаемая к DC/DC-преобразователю, построенному по схеме Ройера, должна быть минимум 20% от номинального значения. В том случае, когда прикладываемая нагрузка меньше порога в 20%, величина напряжения на выходе будет иметь существенную разницу с номинальным значением, и выходное напряжение может приобрести колебательный характер.

Компания Mornsun при разработке модульных DC/DC-преобразователей поколения R3 исключила приведенные выше недостатки и предоставила пользователям надежные решения, готовые к работе в самых разных условиях. Например, для конкретного решения преобразования 5-5 В с мощностью 1 Вт подойдет микросхема B0505S-1WR3 в корпусе SIP4, имеющая привлекательную стоимость, пока что недостижимую для других производителей (рисунок 3).

Рис. 3. Схема включения B0505S-1WR3

Рис. 3. Схема включения B0505S-1WR3

Данная микросхема, в отличие от решения на базе схемы Ройера, имеет ряд преимуществ: возможность плавного старта и быстрого запуска, функцию защиты от КЗ на выходе, защиту от температурного перегрева и другие. Многие из данных особенностей стали доступны именно в третьем поколении – R3. Давайте рассмотрим эти и другие особенности DC/DC-преобразователей Mornsun более подробно. 

DC/DC-преобразователи Mornsun

Mornsun предоставляет разработчикам широкий перечень DC/DC-преобразователей с различными характеристиками (рисунок 4), среди них:

  • преобразователи, работающие c фиксированным входным напряжением (нестабилизированные, вход ±10%) и стабилизированные, работающие в диапазоне 2:1 или 4:1;
  • с изоляцией «вход-выход» до 6 кВ DC и неизолированные, например, семейство K78xx в корпусе SIP3;
  • со стандартным диапазоном температур: -40…85/105°С, и с расширенным: -50…125°С, например, CF0505XT-1WR2;
  • преобразователи в различных корпусах: SIP, DIP, SMD, Brick и так далее.
Рис. 4. DC/DC-преобразователи Mornsun

Рис. 4. DC/DC-преобразователи Mornsun

Все это позволяет разработчику подобрать модуль с нужными характеристиками в рамках номенклатуры одного производителя.

Как уже говорилось ранее, Mornsun постоянно работает над улучшением характеристик своей продукции и каждое новое поколение обозначает литерой R с соответствующим номером в конце наименования (например, A0505XT-1WR3 и A0505XT-1WR2), обозначающим поколение компонента (отсутствие обозначения свидетельствует о первом поколении). Устройства предыдущего поколения могут без проблем быть заменены аналогичными из более новых линеек, причем конечный продукт может приобрести за счет этого новые свойства, улучшить характеристики и иметь положительный экономический эффект. Так, например, замена DC/DC-преобразователя R2 на аналогичный R3 позволит получить выигрыш по следующим параметрам:

  • Низкий ток холостого хода. Существует тенденция снижения тока ХХ с каждым последующим поколением преобразователей. Для поколения R3 характерно значение порядка 4…6 мА, в то время как у аналогичных решений это значение достигает величины 30 мА (рисунок 5). Малое значение тока ХХ способствует увеличению продолжительности работы устройства от аккумуляторов, генераторов и других автономных источников.
Рис. 5. Сравнение величин тока холостого хода

Рис. 5. Сравнение величин тока холостого хода

  • Защита от КЗ. В поколении R3 части внутренней структуры, которые раньше строились исключительно с использованием дискретных компонентов, сменились на интегральную схему собственной разработки, вследствие чего, например, вместо двухтактной схемы с самовозбуждением теперь применяется двухтактная схема с независимым генератором и добавленными цепями защиты выхода от КЗ. Данная защита разделяется на три режима: режим СС, подразумевающий ограничение выходного тока, контроль времени и режим автозапуска.
  • Плавный старт и быстрый запуск. Наличие плавного старта в преобразователе позволяет исключить возникновение импульса с превосходящим номинальное значением входного тока в момент включения, что в свою очередь снижает порог требований к источнику напряжения на входе. Быстрый запуск позволяет сократить задержку подачи питания на устройство с 200 мс до 20 мс, что является важным фактором для некоторых решений.
  • Защита от перегрева. В преобразователях R3 реализована функция температурной защиты: если DC/DC-преобразователь с отсутствием защиты от перегрева работает в течение долгого времени в области выше номинальной мощности, но ниже порога срабатывания защиты от перегрузки, то существует вероятность выхода его из строя из-за перегрева. Защита от перегрева подразумевает переход устройства в режим малого энергопотребления в случае превышения заданного значения температуры и возврат в обычный режим при ее снижении до безопасного уровня.
  • Увеличенная емкость нагрузки. Если на приведенной ранее схеме Ройера плавный старт, защита от КЗ и емкость на нагрузке оказывают взаимное влияние, то в модульных решениях от Mornsun отсутствует подобная взаимная зависимость, благодаря чему, например, DC/DC-преобразователь B0503S-1WR3 может стабильно работать с емкостью нагрузки до 2400 мкФ и запускаться в режиме ограниченного выходного тока с емкостью до 4000 мкФ, что превосходит как дискретные решения, так и второе поколение – в 10 раз (рисунок 6).
Рис. 6. Возможности емкостной нагрузки в поколениях R2 и R3

Рис. 6. Возможности емкостной нагрузки в поколениях R2 и R3

  • Высокая эффективность. Оптимизация схемы преобразования позволила уменьшить потери на коммутацию в силовых компонентах (MOSFET-транзисторах, выпрямительных диодах, трансформаторах), что, в свою очередь, увеличило КПД на 20% и позволило снизить количество энергии, уходившей на нагрев (рисунки 7, 8).
Рис. 7. КПД поколений R2 и R3

Рис. 7. КПД поколений R2 и R3

Рис. 8. Нагрев преобразователей поколений R2 и R3

Рис. 8. Нагрев преобразователей поколений R2 и R3

  • Высокая надежность. Компания Mornsun постоянно увеличивает надежность своих решений за счет автоматизации процесса производства и оптимизации схем. В данном конкретном случае переход к поколению R3, благодаря замене до 40% дискретных компонентов преобразователя одной микросхемой, позволил уменьшить брак до 0,001% (10 штук на один миллион продукции).
  • Стоимость. С каждым новым поколением стоимость преобразователей Mornsun снижается. Это стало возможным благодаря уменьшению количества дискретных компонентов внутри преобразователя, что в свою очередь способствовало снижению цены и сокращению времени сборки. Снижение стоимости поколения R3 вывело модульные преобразователи Mornsun на новый уровень в конкуренции с аналогичными дискретными решениями: теперь замена дискретного DC/DC-преобразователя на модульный из поколения R3 позволит не только улучшить его технические параметры, но и в некоторых случаях получить выигрыш в цене за единицу продукции.

Более подробные характеристики DC/DC-преобразователей Mornsun приведены в таблице 1, а полный их перечень доступен по ссылке.

Таблица 1. Технические характеристики DC/DC-преобразователей Mornsun

Наименование Корпус Выходная мощность, Вт Диапазон входного напряжения, В Выходное напряжение, В Прочность изоляции, кВ Защита Рабочий диапазон температур, °С
B0505LS-1WR3 SIP7 1 4,5…5,5 5 1,5 КЗ -40…105
B0512LS-1WR3 SIP7 1 4,5…5,5 12 1,5 КЗ -40…105
B0505S-1WR3 SIP4 1 4,5…5,5 5 1,5
(1 мин)/
3 (1 с)
КЗ -40…105
B0512S-1WR3 SIP4 1 4,5…5,5 12 1,5
(1 мин)/
3 (1 с)
КЗ -40…105
B0515S-1WR3 SIP4 1 4,5…5,5 15 1,5
(1 мин)/
3 (1 с)
КЗ -40…105
B0505XT-1WR3 SMD8 1 4,5…5,5 5 1,5 КЗ -40…105

Заключение

В сравнении со стандартной схемой Ройера, применяемой при построении большинства DC/DC-преобразователей, модульные решения компании Mornsun поколения R3 показывают более высокие характеристики производительности и надежности, имеют защиту от КЗ, более низкое значение тока холостого хода, температурную защиту и много другое. Кроме того, стоимость изделия поколения R3 равна или ниже стоимости аналогичного решения на дискретных компонентах, а снижение затрат на разработку, хранение и увеличение скорости производства позволяют получить значительный выигрыш в цене конечного устройства.

Наши информационные каналы

Теги:
Рубрики:
Применения:
Группы товаров:

О компании Mornsun

Mornsun – высокотехнологичная компания, основанная в 1998 году в Китае. В настоящий момент является одним из национальных лидеров на рынке источников питания. Основным видом продукции являются DC/DC и AC/DC преобразователи, устанавливаемые на печатную плату. Кроме того, компания выпускает сетевые адаптеры, драйверы IGBT, устанавливаемые на плату фильтры ЭМП, изолирующие усилители и оригинальные микросхемы собственной разработки для изготовления импульсных AC/DC и DC/DC преобразователей. Выпускае ...читать далее