В промышленных системах для многих устройств требуется более низкое напряжение. Именно здесь применяются силовые модули постоянного тока, которые обеспечивают надежность, эффективность и соответствие требованиям электромагнитной совместимости.
В промышленных системах в качестве источника питания широко используется шина 24-VDC. Однако для многих устройств требуется более низкое напряжение. Именно здесь применяются силовые модули преобразования постоянного тока, которые обеспечивают надежность, эффективность и соответствие требованиям по электромагнитной совместимости.
Промышленные устройства, такие как системы автоматизации, промышленная робототехника и складская логистика, основаны на большом количестве датчиков, исполнительных механизмов и устройств управления. Для обеспечения функционирования и надежности систем требуется точное регулирование напряжения. Промежуточные шинные преобразователи постоянного тока незаменимы, поскольку они играют центральную роль в обеспечении стабильного и эффективного источника питания (рис. 1).
Рис. 1: Конфигурация источника питания с промежуточными шинными преобразователями
Промежуточные преобразователи позволяют преобразовывать часто меняющееся напряжение на шине постоянного тока в стабильное выходное напряжение, специально адаптированное к требованиям машин, систем управления и других электрических нагрузок.
Ключевым преимуществом этих силовых преобразователей постоянного тока в постоянный является их способность максимально повышать энергоэффективность за счет минимизации потерь и повышения надежности системы. Это в значительной степени достигается за счет следующих свойств:
- Упрощения системы
- Простой маршрутизации, что приводит к улучшению электромагнитных помех
- Синхронизации модулей преобразования постоянного тока
Снижение сложности системы
Чем больше компонентов требуется для создания системы, тем больше снижается ее надежность. Поэтому лучшим подходом является минимизация количества требуемых компонентов. В области преобразования постоянного тока в постоянный это означает переход от дискретного подхода к высокоинтегрированному.
Проектирование дискретного преобразователя требует, по крайней мере, выполнения следующих этапов:
- Проектирование самого преобразователя постоянного тока в постоянный
- Выбор топологии
- Выбор микросхемы контроллера
- Расчет и выбор компонентов питания (МОП-транзистор, диод, катушка индуктивности)
- Расчет и выбор входных и выходных конденсаторов
- Разработка испытательного стенда
- Оптимизация для стабильного регулирования во всем диапазоне входного/выходного напряжения и тока нагрузки
- Схема расположения для обеспечения хорошей электромагнитной совместимости и тепловой синхронизации
- Валидация общей конструкции для упрощения производства
- Предварительные испытания на соответствие требованиям по электромагнитной совместимости и безопасности
- Логистическая цепочка и безопасность производства
Все этапы проектирования дискретного преобразователя постоянного тока в постоянный уже выполнены для «модуля питания MagI3C». Параметры электромагнитной совместимости и тепловые характеристики можно заранее оценить с помощью бесплатного онлайн-инструмента для проектирования REDEXPERT. Это позволяет проектировщикам выбирать модуль в соответствии с электрическими характеристиками конкретного устройства и, таким образом, избегать всех ранее упомянутых этапов проектирования. Использование модуля питания из семейства VDLM сокращает общее время вывода на рынок и экономит ресурсы на проектирование. Силовые модули постоянного тока с диапазоном входного напряжения до 36 В и выходным током до 5 А представляют собой решение с высокой плотностью энергопотребления, разработанное для обеспечения максимальной мощности в минимально возможном пространстве.
Простая схема подключения, улучшающая электромагнитные характеристики
Многие современные силовые модули преобразования постоянного тока в постоянный работают на высоких частотах переключения. Высокая частота переключения позволяет уменьшить габариты преобразователя постоянного тока в постоянный, поскольку позволяет использовать пассивные компоненты меньшего размера, такие как катушки индуктивности и конденсаторы. При более высоких частотах эти компоненты могут работать с меньшими значениями, поскольку энергия, передаваемая за цикл переключения, меньше, хотя и частота выше. Это приводит к уменьшению физических размеров компонентов, что делает весь преобразователь более компактным.
Это означает, что необходима хорошо продуманная компоновка с минимальным количеством паразитных компонентов.
Рис. 2: Базовая структура понижающего преобразователя
Каждый компонент и соединительные элементы, показанные на схеме на рис. 2, соответствуют реальному физическому элементу на печатной плате. Все они обладают паразитными свойствами, которые потенциально могут оказать пагубное воздействие на работу устройства.
Развертка на печатной плате обладает различными паразитными свойствами, включая индуктивность, емкость и омическое сопротивление. В следующем разделе рассматриваются эффекты паразитной индуктивности развертки и показано, как их можно минимизировать, используя симметричный подход к компоновке. Паразитные индуктивности понижающего преобразователя могут вызвать ряд негативных последствий:
- Пики напряжения: паразитная индуктивность накапливает энергию, которая может вызывать пики напряжения во время процессов включения и выключения транзисторов (МОП-транзисторов). Эти пики напряжения могут повредить компоненты или значительно снизить эффективность преобразователя.
- Проблемы с электромагнитной совместимостью: электромагнитные поля от паразитной индуктивности могут передаваться в соседние цепи и даже создавать помехи для других электронных устройств, находящихся поблизости.
- Потери мощности
- Колебания (затухающие колебания)
Чтобы свести к минимуму эти эффекты, важно тщательно спроектировать схему и выбрать подходящие компоненты для уменьшения эффективной паразитной индуктивности.
Этого можно достичь, сравнив классическую линейную схему с симметричной схемой в зависимости от присутствующих паразитных индуктивностей (см. рис. 3 и 4).
Рис. 3: Упрощенные электрические схемы с паразитными выводными катушками индуктивности для линейной компоновки (слева) и симметричной компоновки (справа)
С технической точки зрения, энергия, запасенная в индуктивности, создает напряжение, когда ток, протекающий через нее, внезапно прерывается. Это напряжение пропорционально скорости изменения тока, согласно приведенному ниже уравнению:
VL = L × (di/dt)
где VL – индуцированное напряжение, L – индуктивность, а di/dt – изменение тока во времени.
Таким образом, VL является источником электромагнитных помех. Паразитная индуктивность играет решающую роль в уравнении и должна быть сведена к минимуму, насколько это возможно, благодаря хорошо продуманной компоновке.
В линейной схеме паразитные индуктивности LPA_1 и LPa_2 суммируются (2,8 нН), в отличие от симметричной схемы. Здесь две паразитные индуктивности LPA_1 и LPa_2 параллельны, так что эффективное значение уменьшается вдвое (0,85 нМ). Меньшая индуктивность уменьшает величину наведенного напряжения VL, что снижает электромагнитные помехи.
Паразитная индуктивность CIN (MLCC) не включена в анализ, поскольку это сравнение различных вариантов компоновки. Одни и те же MLCC использовались в качестве CIN как для линейной, так и для симметричной компоновки.
Синхронизация нескольких силовых модулей
Семейство силовых модулей преобразования постоянного тока в постоянный VDLM 1710×3601 состоит из полностью интегрированных преобразователей, которые объединяют микросхему импульсного регулятора со встроенными МОП-транзисторами, компенсацией и экранированной катушкой индуктивности в одном корпусе. В принципе, процессы переключения МОП-транзисторов вызывают электромагнитные помехи в каждом преобразователе постоянного тока, будь то дискретный или полностью интегрированный, как в модуле питания. В зависимости от частоты переключения эти помехи могут возникать при измерении электромагнитной совместимости, например, в виде амплитуд проводимых гармонических помех. Если в конфигурации «дерево питания» используется несколько преобразователей постоянного тока в постоянный, как показано на рис. 1, могут возникнуть два «эффекта электромагнитной совместимости»: биения и положительное наложение входных токов.
Для синусоидальных волн биение – это интерференция двух волн с разными длинами, которые расположены близко друг к другу. Поскольку эти две частоты схожи, конструктивные и деструктивные помехи возникают попеременно. В результате амплитуда результирующей волны периодически меняется. Эти совпадения можно увидеть в спектре измерения электромагнитной совместимости в виде амплитуд, которые меньше частоты переключения. Приведенное ниже уравнение показывает корреляцию для двух разных частот:
fs = (fPM1 − fPM2) ÷ 2
где fs – частота биений, fPM1 – частота переключения силового модуля 1, а FPM2 – частота переключения силового модуля 2.
Трапециевидные входные токи силовых модулей преобразователя постоянного тока в постоянный могут быть разделены на синусоидальные составляющие с помощью анализа Фурье. Однако приведенное выше уравнение также может быть использовано в качестве начальной оценки для силовых модулей постоянного тока с несинусоидальным входным током.
Если, например, в устройстве объединить два преобразователя постоянного тока с частотой переключения 1000 кГц и 1100 кГц, в системе возникнет биение с частотой 50 кГц. Разница в частоте может также возникать, если два преобразователя постоянного тока обычно отличаются на ±10% из-за внутренних допусков, несмотря на «одинаковую» частоту переключения.
При одновременном переключении обоих модулей питания происходит положительное наложение входных токов. Для этого модули работают в так называемом режиме синхронизации.
В режиме синхронизации во входной цепи протекает максимальный пиковый ток, что приводит к максимальному пику в амплитудном спектре помех.
Дополнительную информацию и основные принципы работы неизолированного модуля питания для преобразования постоянного тока в постоянный можно найти в «Справочнике модулей питания». Дополнительную информацию о фильтрации преобразователей постоянного тока в постоянный можно найти в «Руководстве по преобразователям постоянного тока в постоянный».
Преимущества силовых модулей VDLM
Представленные концепции показывают, что современные силовые модули для преобразования постоянного тока в постоянный, например, модули серии VDLM, могут эффективно удовлетворять требованиям промышленного применения. Благодаря интеграции всех необходимых компонентов в одном корпусе снижается сложность конструкции, что позволяет ускорить разработку продукта и повысить его надежность. Хорошо продуманная, в частности симметричная компоновка, как в моделях VDLM 171043601 и 171053601, сводит к минимуму паразитные индуктивности и улучшает электромагнитные характеристики. Моделирование и измерения показывают преимущества по сравнению с классическими линейными компоновками. Синхронизация нескольких модулей требует целенаправленного управления частотой, чтобы избежать сбоев и перекрытия токов, что снижает электромагнитные помехи. Решения обеспечивают высокую плотность мощности в компактном исполнении и идеально подходят для сложных промышленных условий, помогая оптимизировать современные системы электроснабжения.
