Современные источники питания: промышленный стандарт ASTEC

Даже в удачно спроектированном изделии около половины его объёма и более половины случаев отказа приходится именно на источник питания. Поэтому, сегодня особенно важно располагать свежей информацией о предлагаемых на рынке современных источниках, специфике их использования и закладывать эту информацию в проект заранее, ещё на этапе системного проектирования.
Среди крупных фирм, выпускающих промышленные источники питания, одно из первых мест с 1972 года занимает фирма ASTEC. В настоящее время компания выпускает более 200 млн. блоков в год, и её оборот превышает 600 млн. долларов. Расположенные в Северной Америке, Европе и Азии, производственные мощности фирмы сертифицированы по стандартам ISO9001/2. Выпускаемая фирмой ASTEC продукция включает импульсные AC/DC сетевые источники, DC/DC преобразователи и блоки для систем распределённого энергопитания, ставших популярными в последние годы. Многие наверняка встречали запоминающийся логотип фирмы ASTEC на источниках питания персональных компьютеров brand name, копировальных аппаратов, медицинской и промышленной аппаратуры. Главной отличительной чертой продукции является надёжность, обеспечиваемая особенностями конструкции, защитой от перегрузок и отбором компонентов перед сборкой. Фирма ASTEC обеспечивает всю свою продукцию гарантией от 1 до 5 лет.

AC/DC импульсные сетевые источники низкой мощности

Недорогие беcкорпусные блоки, имеющие от 1 до 3 выходов, входной фильтр помех, защиту от КЗ, защиту от превышения выходных напряжений, плавную регулировку выхода, автоматическую компенсацию падения выходного напряжения на соединительных проводах, дистанционное отключение сигналом TTL, встроенный супервизор +5 В. Блоки мощностью от 250 Вт собраны в закрытом малогабаритном алюминиевом корпусе, с вентилятором или без, по желанию заказчика. Дополнительно имеют четвёртый регулируемый выход, изолированный от общего провода, активный корректор коэффициента мощности, защиту от перегрева, два вспомогательных, не отключаемых источника +5 и +12 В для питания слаботочных схем контроля (housekeeping) и возможность параллельного включения блоков (SWP).
Новинкой продукции ASTEC в этом году стали модификации стандартных источников на 25, 40 и 60 Вт, сертифицированные по международному стандарту для медицинских применений IEC601. Этот стандарт соответствует отечественному, предусматривая ток утечки менее 75 мкА и пробивное напряжение изоляции 4 кВ. Новые источники имеют суффикс “-M” в конце обозначения.

Таблица 1

Мощность, Вт	25, 40, 60, 110, 150, 250, 350
Вход, В	АС~ 85...264 и DC=120...370
Выходы DC=,В	+3,3, +5, +/-12, +/-15, +24, +48, +/-5...25

AC/DC импульсные сетевые источники
средней мощности

Эти источники выполнены по модульному принципу в закрытом корпусе, имеющем 5 посадочных мест, что позволяет собрать блок из унифицированных модулей на любые комбинации напряжений и токов в конфигурации заказчика. Модули представляют собой оконечные DC/DC преобразователи, питающиеся от внутренней стабилизированной цепи источника =380 В. В дополнение ко всем вышеперечисленным возможностям источников на 250 Вт, источники средней мощности имеют мягкий старт, встроенный вентилятор, светодиодную индикацию состояния и могут работать при температурах от -20 до +50о.

Таблица 2

Мощность, Вт	400, 600, 800, 1000
Вход, В	АС~ 85...264 и DC=120...350
Выходы DC=, В	+2; 2,2; 3,3; 5; 5,5; 6; 8; 10; 11; 12; 14; 15; 18; 20; 24; 28; 30; 33; 36; 42; 48; 54; 60

AC/DC импульсные сетевые источники
высокой мощности

Собираются в корпусах, имеющих 2 (5"ґ5"ґ11") или 4 (5"ґ8"ґ11") посадочных места для модулей на 1, 2 или 3 выходных напряжения. Возможности такие же, как у источников средней мощности. Трёхфазные модули будут продолжать стабильно работать даже при пропадании одной из фаз. Расширенная гарантия на мощные источники — 3 года.

Таблица 3

Мощность, Вт	900, 1000, 1100, 1200, 1400, 1500 , 1600, 1700,1900, 200, 2500
Вход АС~ ,В	АС~ 85...264 (1 и 3 фазы)
Выходы DC=, B	+2; 3,3; 5; 12; 15; 24; 28; 36; 48

DC/DC преобразователи

Эта наиболее популярная продукция выпускается под торговой маркой AMPSS (Astec Modular Power Supply System). Они полностью экранированы, очень компактны, имеют высоту около 1 см. Ряд преобразователей предназначены для работы при температурах от -40 до +110°C с наработкой на отказ более 1 млн. часов (Military standard). Гарантия до 5 лет.

Адаптеры

Универсальные AC/DC адаптеры предназначены для питания портативной аппаратуры от сети с любым напряжением 110 или 220 В, 50 или 60 Гц. Могут обеспечивать на выходе не только стабилизированное напряжение, но и стабилизированный ток для зарядки аккумуляторов. Выпускаются в модификациях на 7,5, 35 и 45 Вт. Все адаптеры имеют миниатюрные ударопрочные пластмассовые корпуса.

Специализированные изделия

Активные корректоры коэффициента мощности PFC (до 1200 Вт), генератор телефонного вызывного сигнала, дополнительно фирма ASTEC предлагает радиаторы, крышки и крепёж для всех моделей.

Компенсация падения напряжения

Практически все AC/DC и DC/DC источники позволяют регулировать напряжение в пределах +/-10% от номинала. Большинство имеют ещё и возможность автоматической компенсации падения выходного напряжения на соединительных проводах. Для её реализации необходимо подключить управляющие входы +/-SENSE источника к контролируемой точке нагрузки тонкой витой экранированной парой. Таким образом может быть скомпенсировано динамическое падение напряжения до 0,5 В.

Контроль тока

Некоторые источники имеют выход C MON для контроля тока нагрузки. Его ток лежит в пределах 0…1 мА, что пропорционально 0…100% выходного тока, относительно максимального для данной модели. У тех модулей, у которых отсутствует вывод C MON, для этой цели может использоваться вывод SWP.

Контроль температуры

Выход TEMP MON, существующий у ряда конверторов, предназначен для измерения температуры внутри их корпуса. Напряжение 2,73 В на этом выводе соответствует 0°С (или 273о К), изменяясь на 10 мВ/град. Контроль температуры имеет наибольшее значение на этапе разработки, так как температура — главный фактор, влияющий на надёжность. Прирост температуры на каждые 10° снижает время наработки на отказ любого радиоэлектронного устройства вдвое. Поэтому приобре-тение источника питания повышенной надёжности само по себе не может радикально улучшить ситуацию, если конструктор не позаботится о его эффективном охлаж-дении. Для этого необходимо рассчитать на основе КПД рассеиваемую источником питания мощность, затем площадь радиатора и, если она окажется чрезмерной, воздушный поток принудительного охлаждения. Следует стремиться расположить источник и рёбра его радиатора вертикально, в верхней части корпуса устройства, непосредственно у вентиляционных отверстий, оставив свободным путь естественной циркуляции воздуха снизу. Позаботьтесь и о надёжном тепловом контакте между источником и радиатором — для этой цели фирма ASTEC предлагает специальные прокладки THERMSTRATE с тепловым сопротивлением 0,1 град/Вт. Для равномерного отвода тепла от AMPSS, их корпуса сделаны не как обычно, из алюминия, а из никелированной меди.

Супервизор

Почти все AC/DC источники имеют встроенный супервизор, формирующий низкий уровень TTL сигнала POWER GOOD за 4…5 мс перед падением выходного напряжения и через 50…150 мс после его стабилизации. Источники фирмы ASTEC поддерживают стабилизированное напряжение даже при выпадении одного периода сети, то есть в течение 20 мс.

Синхронизация

При совместной работе нескольких импульсных преобразователей от общей сети могут возникнуть биения тока потребления с разностной частотой. Минимум помех может быть обеспечен при “чересстрочной” синхронизации преобразователей. Такая возможность предусмотрена в AMPSS и может быть легко реализована простым соединением их в цепочку: выход CLK OUT одного с входом CLK IN другого. В случае обрыва такой цепочки, первый в новообразовавшейся цепочке автоматически становится ведущим синхронизации.

Емкостная нагрузка

Чрезмерная ёмкость нагрузки может не позволить запуститься генератору преобразователя в стабильном режиме. Исключить влияние ёмкости нагрузки позволяет специальный дополнительный источник питания ШИМ преобразователя, встроенный в ряд AMPSS. В общем случае, нулевой ток нагрузки делает работу импульсного преобразователя так же нестабильной, но фирма ASTEC сумела обойти и это “узкое место”, и нормирует параметры большинства источников уже от холостого хода.
В этом году начались поставки серии “Gamma”, постепенно заменяющей все ранее производившиеся модели конверторов, ещё имевшие ограничения по минимальному току, ёмкости нагрузки и температурному диапазону. Новые модели имеют улучшенную схемотехнику при прежнем конструктиве и, что самое важное, при прежних ценах. Все они рассчитаны на температурный диапазон от -40 до +100°C и не имеют никаких ограничений по нагрузке. Модели серии “Gamma” маркируются суффиксом “G” в конце стандартного обозначения.

Последовательное соединение источников

Выходные напряжения источников можно суммировать, однако не рекомендуется соединять последовательно более двух. При этом необходимо объединить входы разрешения обоих источников для одновременного включения. Каждый из них должен иметь свой собственный фильтрующий конденсатор на выходе.

SWP

Простое параллельное соединение источников напряжения для увеличения выходного тока не даст Вам желаемого результата из-за неравномерного распределения токов и приведёт к отключению сначала одного, затем другого источника при срабатывании защит от перегрузки. В большинстве источников фирмы ASTEC возможность параллельного соединения заложена наличием цепи SWP (Single Wire Parallel). Контакты SWP спараллеленных источников объединяются вместе. Они являются одновременно и входами, и высокоомными выходами каждого блока. На SWP формируется усреднённое напряжение, пропорциональное току, отдаваемому в нагрузку каждым блоком. Если ток какого-либо из них превысит средний, то его схема управления скорректирует напряжение до равенства токов. SWP даёт разработчику ещё одну уникальную возможность: подача внешнего напряжения на этот вывод превращает источник стабилизированного напряжения в регулируемый источник тока. Такое переключение режимов может быть полезно, например, при зарядке аккумуляторных батарей.

Коэффициент мощности

Ток, потребляемый от сети переменного напряжения, часто не только не совпадает с ним по фазе из-за реактивной составляющей, но и значительно отличается от синусоидального. При этом, мощность, действующая в нагрузке, будет отличаться от вычисленной как произведение тока на напряжение, в число раз, равное коэффициенту мощности. Во столько же раз повышаются требования к току источника, и значит, падает его эффективность. Поэтому ряд стандартов нормирует коэффициент мощности потребителя, близким к 1. В некоторых случаях для маломощной фиксированной нагрузки приблизить его к 1 можно подключением конденсатора, но чаще приходится использовать активные корректоры коэффициента мощности, работающие по принципу накопления энергии в магнитном поле коммутируемой индуктивности. Все сетевые источники питания фирмы ASTEC, мощнее 250 Вт, имеют встроенные корректоры коэффициента мощности, приводящие его к значению 0,99.

Распределенные системы

Такие системы строятся по схеме: один сетевой блок — одна общая внутренняя магистраль питания — несколько оконечных стабилизаторов. Сетевой блок содержит цепи защиты от перегрузок, подавления помех, синхронизации, коррекции коэффициента мощности, выпрямитель и предварительный стабилизатор. Оконечные стабилизаторы располагаются в непосредственной близости к нагрузке и могут содержать цепи дополнительной защиты. Распределённые системы находят в настоящее время всё большее применение по ряду причин: повышенной электробезопасности, возможности резервирования, “горячей” замены отказавших, простоты добавления резервной аккумуляторной батареи, лучшему отводу тепла, и, как следствие, высокой надёжности. Наиболее эффективные распределённые системы для промышленных применений строятся на основе общей магистрали 380 В постоянного тока. В качестве сетевого блока такой системы разработан модуль PFC, мощностью 1200 Вт, а в качестве оконечных — стандартные модули AMPSS.

Отказоустойчивые системы

Схема N+1 предусматривает параллельное соединение N источников, разделяющих между собой ток нагрузки, и один конвертер “горячего” резерва. Чаще всего N = 2. Серия AMPSS максимально адаптирована для использования в подобных системах. Она требует лишь объединения выводов SWP и соединения в цепочку CLK OUT – CLK IN. На входе каждого должен быть установлен быстрый плавкий предохранитель, предотвращающий закорачивание общей питающей сети неисправным блоком. Выходы объединяются через диоды, предотвращающие закорачивание нагрузки. При необходимо-сти “горячей” замены дополнительно устанавливается простейшая цепь, ограничивающая пусковой ток, чтобы избежать просадки общей сети при установке нового блока.

Максимизация надежности

“Know-How” фирмы ASTEC является отрицательная обратная связь по температуре, максимизирующая надёжность распределённых систем энергопитания. Её необходимость вызвана следующим: наработка на отказ источника питания обратно пропорциональна его рабочей температуре. Общая наработка на отказ распределённой системы из N однотипных источников, работающих на общую нагрузку, определяется источником, имеющим наибольшую температуру. Температура же зависит от условий размещения источников и конкретных теплоотводов, и в реальных условиях может существенно различаться. Поэтому, только уравняв рабочую температуру всех источников путём перераспределения токов, можно добиться максимальной надёжности системы в целом. Необходимая для этого отрицательная обратная связь по температуре, охватывающая систему, реализуется на модулях AMPSS с минимумом внешних компонентов. Входным сигналом является усреднённое напряжение на выводах TEMP MON, а управляющее воздействие прикладывается к выводам C MON. Реализации этой технологии посвящена статья на сайте фирмы ASTEC. Заинтересованным разработчикам советуем посетить ASTEC на интернет www.astec.com, где можно найти, помимо спецификаций, большое количество подробной технической документации, рекомендации по применению и практические схемы.