TDK-Lambda teljesítménymodulok zord környezetbe

Az 5G megjelenésével és az ipari dolgok internetére (IIoT) való áttéréssel egyre sokfélébb és igényesebb berendezésekbe építenek be elektronikus rendszereket. A rendszerek tervezésekor a hangsúly a tápegységeken van, amelyek teljesítik a megbízhatósággal kapcsolatos, egyre növekvő elvárásokat is. Ezen követelmények teljesítéséhez létfontosságú figyelembe venni az olyan jellemzőket, mint a fizikai strapabíró képesség és az elektromágneses zavarás (EMI) csökkentése, valamint a beépített intelligencia és az összekapcsolt új IIoT-rendszereken belüli működéshez szükséges összekapcsolhatóság.

Ezen elképzelés szerint a tervezőknek önellenőrzés révén kell csökkenteniük a tápegység hatását és a rendszerleállások időtartamát, és egyúttal lehetővé kell tenniük a távolból végzett frissítéseket, beállításokat és az üzem közbeni teljesítményfigyelést.

1. ábra  A paraméterek figyelésére/megváltoztatására használt PMBus kommunikációs funkciói (a kép forrása: TDK-Lambda)

Mi szükség van a PMBus használatára?

A digitális teljesítményfelügyeletre szolgáló, nyílt szabványú teljesítményfelügyeleti kommunikációs protokoll, a PMBus segítségével rengeteg mindent el lehet végezni. Javítja a tápegységek kihasználtságát, és növeli azok teljesítményét és megbízhatóságát. Lehetővé teszi a tápegységek különböző paramétereinek – amilyen például az egyes kimeneteken mérhető feszültség és áramerősség, az egyes kimeneti fokozatok hőmérséklete, illetve hogy megfelelő-e ezen fokozatok feszültsége, valamint hogy engedélyezve van-e az egyes modulok kimenete – külső műszerek használata nélküli mérését és figyelését (1. ábra).
A felhasználók ezenkívül folyamatos PMBus-mérésekkel még a végzetes hiba bekövetkezése előtt megjósolhatják, mikor fognak hibák bekövetkezni, ami nagyon fontos az 5G távközlési berendezések, kis üzemek, adatközpontok, távoli/nehezen elérhető helyek esetében.

2. ábra  A PFH500F-sorozatú egyenirányítós teljesítményátalakító ¾ tégla kialakítási formátumú, és 500 W teljesítmény leadására képes 28 V kimeneti feszültség mellett (a kép forrása: TDK-Lambda)

A TDK-Lambda PFH500-tápegység jellemzői

A PFH500F-sorozat 4" × 2,4" (10,16 cm × 9,1 cm) alapterületű, és ¾ tégla kialakítási formátumú (2. ábra). 500 W teljesítmény leadására képes szabályozott 28 V kimeneti feszültség mellett, amely 22,4 V és 33,6 V (±20%) között állítható.
A kialakításhoz egyetlen többrétegű nyomtatott áramköri lapot használnak, és nincs szükség elszigetelt fém hordozóanyagra, ami csökkenti a közös módusú zajt, és szükségtelenné teszi az összekötő érintkezőket, növelve ezzel a megbízhatóságot. A nagy teljesítményű rész egy híd nélküli teljesítménytényező-javító (PFC) áramkört és szinkron egyenirányítást használ. A kisebb veszteség és a nagyobb hatásfok érdekében nagy teljesítményű gallium-nitrid (GaN) eszközöket alkalmaznak, amelyek 90-92% hatásfok elérését teszik lehetővé 100 W/in³ (6,1 W/cm³) teljesítménysűrűség mellett. A tápegység világszerte működtethető 85–265 V, 47–63 Hz váltakozó bemeneti feszültségről.

3. ábra  A PFH500F-teljesítménymodul külső alkatrészekkel kiegészített alapkapcsolása tartalmaz egy külső mágneses zavarszűrőt is a bal oldalon (a kép forrása: TDK-Lambda)

Az alapkapcsolás

A 3. ábrán a külső alkatrészekkel kiegészített PFH500 kapcsolási rajza látható, amely tartalmaz egy bemeneti külső mágneses zavarszűrőt is.
Ez a tápegység hagyományos és intelligens üzemek esetén is jó választás zord környezetbe, amint az a 4. ábrán látható.
A mérési eredmények azt mutatják, hogy az eszköz teljesíti a szigorú követelményeket, különös tekintettel az elektrosztatikus kisülésre (ESD), a sugárzott rádiófrekvenciás zavarással (RFI) és az elektromágneses zavarással szembeni védettségre.

4. ábra  A PFH500F-teljesítménymodul megfelel a zord környezet támasztotta követelményeket ellenőrző szigorú elvárásoknak (a kép forrása: TDK-Lambda)

Képesség a feszültségesés párhuzamos megosztására

A tápegységen jelentkező nagy feszültségesés arányos a fogyasztók által felvett terheléssel. Ha két tápegység össze van kapcsolva, hogy nagyobb teljesítményt adjanak le, illetve megosszák egymás közt a terhelést, olyan párhuzamos üzemre képes eszközöket kell használni, mint a TDK-Lambda cég PFH500 tápegysége. A nagy feszültségesés arányos a fogyasztók által felvett terheléssel, ezáltal amikor két vagy több tápegység párhuzamosan kapcsolt, a kimeneti terhelés megoszlik közöttük. Ha a párhuzamosan kapcsolt tápegységek egyike több áramot próbál leadni, némi feszültségesés jelentkezik a kimenetén, amelyet a többi tápegység kiegyenlít (5. ábra).
Az optimális teljesítmény elérése érdekében minden tápegység kimenetét ugyanarra a feszültségértékre kell beállítani. A PFH500 (28 V-os változat) terhelésszabályozása (feszültségesés nélkül) 28 mV vagy 0,1%, V_be = 115/230 V váltakozó bemeneti feszültség esetén.

5. ábra  A PFH500 Feszültségesés üzemmódjának áramelosztási képessége lehetővé teszi a más tápegységekkel való együttműködést a terhelés megosztása érdekében (a kép forrása: TDK-Lambda)

Az alaplemez hőelvezetéses hűtési képessége

A hőelvezetéses hűtés a meghatározás szerint a hőnek a meleg területről egy hidegebb területre vezetése közvetlen érintkezés révén. A PFH500 tápegységnek van egy lapos felülete (alaplemez), amelyet úgy alakítottak ki, hogy közvetlenül egy külső hűtőbordára vagy hideg felületre lehessen csatlakoztatni, amely a közvetlen érintkezés révén elvezeti a hőt a nagy teljesítményű eszköztől (6. ábra).
A hűtéssel kapcsolatos további tudnivalókért lásd: „Techniques for Cooling Power and Other Electronic Devices (Nagy teljesítményű és egyéb elektronikus berendezések hűtési megoldásai).”

6. ábra  Az ábrán a teljesítménymodult, amilyen a PFH500 is, hőelvezetéses hűtéssel hűti egy hűtőborda (a kép forrása: TDK-Lambda)

További előnyök a tervezők számára

A PFH500 további előnyöket is kínál a tervezők számára:

• A bevonattal ellátott, tokozott fémház segíti a jelkisugárzás csökkentését, és javítja az ütés- és rezgésállóságot.

• Belső digitális leválasztás (az optikai leválasztás nem annyira megbízható).

• Belső elektromágneses zavarszűrő túláramvédelemmel, amely megakadályozza a tápegység meghibásodásait és tönkremenetelét.

• Belső bekapcsolási áramvédő relé és áramkör védi a tápegységet a károsodástól.

• A távérzékelő képesség lehetővé teszi a távoli terheléstől kábeles távolságon belül a pontos feszültségszabályozást.

• A belső túlmelegedés- és túláramvédelem gondoskodik a megbízhatóságról.

• A túlfeszültség/feszültségesés ellen védő VBUS figyelési képesség biztosítja a szünetmentes működést.

• Áramkörön belüli programozhatóság – például intelligens rendszer használatával.

• A biztonsági szabványoknak megfelelő minősítések növelik a megbízhatóságot.

Ismerkedés a kiértékelőkártyákkal

A kiértékelőkártyák hozzáadott értéket jelentenek, mert rövidebb piacra kerülési időt tesznek lehetővé. A tervezők hozzájuthatnak Gerber-fájlokhoz a TDK-Lambda által gyártott kiér-tékelőkártyákhoz, ezzel segítve kártyájuk kialakításának rendszeren belüli optimalizálását, ennek köszönhetően ezek a kártyák beilleszthetők lesznek a rendszerarchitektúra nagyobb tervezési egységeibe.
Háromféle PFH05W kiértékelőkártya is kapható:

• PFH05W28-1D0-EVK-S1 kiértékelőeszköz PFH500F-28-1D0-R modullal

• PFH05W-001-EVK-S0 kiértékelőeszköz teljesítménymodul nélkül

• PFH05W28-100-EVK-S1 kiértékelőeszköz PFH500F-28-100-R modullal

Mivel mindegyik tartalmazza az ellenőrzéshez szükséges összes külső alkatrészt, mindegyik segít leegyszerűsíteni a teljesítménymodul kezdeti értékelését, hogy a berendezést gyorsabban piacra lehessen dobni.
Megjegyzés: Terheléssel történő üzemeltetés esetén a modul hűtőbordájának hűtéséhez szükség lehet valamilyen külső légáramlás kialakítására. A TDK-Lambda HS00110 hűtőborda ipari mennyiségben rendelhető (7. ábra).
A három kiértékelőkártya használatához egyfázisú, szabályozható váltakozó feszültségű áramellátás (az áramforrás helyes paraméterértékeinek meghatározásához lásd az egyes kiértékelőkártyák saját adatlapját), 0–500 V méréshatárú egyenfeszültségű multiméter és megfelelő kimeneti terhelés szükséges (a szükséges terhelések értékét illetően lásd az egyes kiértékelőkártyák saját adatlapját), valamint egy ventilátor a hűtőbordát hűtő légáram létrehozásához.
Megjegyzés a felhasználók számára: A kiértékelőkártyák elektromos csatlakoztatása előtt győződjön meg arról, hogy egyik kimeneti és bemeneti huzal sincs áram alatt!

7. ábra  A PFH500F-tápegységekhez való PFH05W-kiértékelőkártyákkal gyorsítható a piacra kerülési idő, és ellenőrizhető a tervező egyedi igényei szerinti teljesítmény. A kiértékelőkártyák kiegészíthetők külső hűtéssel, például HS00110 hűtőbordával (lásd az ábrán) (a kép forrása: TDK-Lambda).

Más alkalmazási területek

Ez a váltakozó feszültségű bemenettel és 28 V egyenfeszültségű kimenettel rendelkező tápegységsorozat használható más zord környezetekben is, például szárazföldi katonai járművek kereskedelemben készen kapható tápegységeként vagy polcra szerelt rendszerekben, amilyenek a VMEbus- (Versa Module Europa vagy Versa Module Eurocard) sínek. A PFH500F-sorozat ezenkívül remekül megállja a helyét ionszivattyús tápegységekben is, amelyeket például az elektronmikroszkópokban használnak.

Következtetés

Alapvető jellemzőiknek köszönhetően, mint az elektromágneses és rádiófrekvenciás zavarással, valamint egyéb zajokkal szembeni erős védettség, kiváló ütés- és rezgésállóság és az olyan szélsőséges hőmérsékletek elviselése, amelyeket a normál tápegységek már nem bírnának, a PFH500F-28-sorozat tagjai kiváló megoldást jelentenek zord környezetben való használat esetén. Nagy teljesítménysűrűségük, modulrendszerű kialakításuk és kis méretük szintén lehetővé teszi egy kis méretű tápegység kialakítását egy nagyobb berendezés részeként.
Ezenfelül a beépített PMBus lehetővé teszi az önellenőrzést, a távfigyelést és az adatkommunikációt, amelyek közül mindre szükség van ahhoz, hogy egy tápegységet sikeresen lehessen beilleszteni az IIoT-rendszerek előrejelző elemző- és karbantartó berendezéseibe.

Szerző: Rich Miron – Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics
Angol nyelvű kapcsolat
Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +48 696 307 330
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

www.digikey.hu

még több Digi-Key Electronics