Ізольовані DC/DC-перетворювачі серії RPP із розширеним діапазоном робочих температур

В статті наведені основні характеристики та параметри нових економічних ізольованих DC/DC-перетворювачів серії RPP з вихідною потужністю 20–50 Вт, розрахованих на роботу в розширеному діапазоні температур.

Г. Местечкіна

Широко відома у всьому світі як розробник і виробник AC/DC- і DC/DC-перетворювачів малої потужності компанія Recom не тільки розширює номенклатуру випущених виробів, але й постійно модифікує їх з метою підвищення технічних характеристик, жорсткішання умов експлуатації та розширення областей застосування. Прикладом такого підходу до нових розробок може бути серія RPP ізольованих DC/DC-перетворювачів з вихідною потужністю від 20 до 50 Вт, що відрізняються не тільки високим ККД (до 92 %) і високою питомою потужністю, але й широким діапазоном робочих температур без застосування примусового відводу тепла (від –45 до 100 °C для навколишнього середовища і до 120 °C — температури корпусу). За спецзамовленням можуть виготовлятися моделі перетворювачів, розрахованих на роботу при температурі до –55 °C. Таке суттєве поліпшення параметрів перетворювачів серії RPP (RPPlus) у порівнянні з їх аналогами серії RP досягнуто завдяки застосуванню технології ICE (Innovation in Converter Excellence), що дозволила сумістити підвищення технічних характеристик зі зменшенням розсіюваної потужності та відповідним розширенням діапазону робочих температур при одночасному зниженні ціни на нові модулі.

Особливості технології ICE

Однією зі складових ICE-технології є мінімізація тепла, що випромінюється модулем. Тому для зниження втрат передусім необхідно збільшувати, наскільки можливо, ККД перетворювача у всьому діапазоні зміни вхідної напруги і при різних струмах навантаження. Більшість перетворювачів напруги розробляються так, що максимальне значення ККД забезпечується при температурі 25 °C, повному навантаженні та номінальному рівні вхідної напруги. При незначній зміні струму навантаження або підвищенні температури навколишнього середовища до максимально допустимої отримуються компромісні параметри. В ICE-технології використовується сучасний рівень розвитку техніки, що дозволяє підвищити ККД приблизно на 2 % у порівнянні зі стандартними перетворювачами. На перший погляд таке підвищення ККД здається незначним, але різниця між ККД 88 і 90 % виливається у зменшення потужності, що випромінюється у вигляді тепла, на 17 %. Крім того, зі зменшенням струму навантаження відбувається перехід на енергозберігаючий режим, коли струм, що споживається від джерела вхідної напруги, знижується до кількох міліампер.

Ще однією особливістю ICE-технології є знайдені нові конструктивні рішення, що полягають у тому, що компоненти, які випромінюють найбільшу теплову енергію (польові транзистори, що працюють у імпульсному режимі, трансформатор і польові транзистори, що використовуються у випрямлячі) розміщуються поблизу стінок корпусу перетворювача. Це рішення створює виробникам додаткові труднощі, але водночас дозволяє суттєво знизити внутрішній тепловий опір перетворювача. Крім того, завдяки оригінальній конструкції корпусу, який включає вбудований тепловідвід, покращується відвід тепла, що випромінюється перетворювачем. Додатково корпус виконаний з товстого шару авіаційного алюмінію на відміну від тонкого мідного, покритого нікелем корпусу, що зазвичай використовується в аналогічних перетворювачах. Таке рішення дозволяє покращити тепловий контакт між корпусом і силіконовим матеріалом, що володіє великою теплопровідністю, яким заповнений корпус перетворювача для його герметизації.

Отримані в новій серії перетворювачів «плюси» зробили можливим розширення областей їх застосування, включаючи авіаційну та наукоємну передову промислову техніку.

Переваги модулів серії RPP

Доповнюють переваги перетворювачів серії RPP наявність вбудованого в них фільтра електромагнітних перешкод (класу B) і тепловідводу, суміщеного з металевим корпусом, що не тільки покращує умови відводу тепла, особливо при вертикальному розташуванні модуля відносно поверхні плати, але й забезпечує зниження рівня електромагнітних перешкод, що випромінюються модулем, завдяки тому, що корпус і тепловідвід одночасно виконують роль екрана.

Крім того, що в модулях серій RPP20/30 збережені ті самі, що й у модулях RP20/30, діапазони зміни рівня вхідної напруги (2:1): 9–18, 18–36, 36–75 В і (4:1): 9–36, 18–75 В і моделі з одним або двома виходами напругою 3.3, 5, 12 і 15 В (S) або ±12 і ±15 В (D), а також забезпечується можливість зниження до нуля струму навантаження, у модулі серій RPP20/30_D введені вихідні напруги ±24 В. Водночас модулі серій RPP40/50 мають тільки один діапазон зміни вхідної напруги (2:1): 18–36 і 36–75 і тільки один вихід напругою 3.3, 5, 12 або 15 В.

Вагомим «плюсом» на користь модулів серії RPP є і збільшення (до 3 кВ) міцності ізоляції (у серії RP — 1.6 кВ). У всіх модулях перетворювачів серії RPP забезпечується захист від зниження вхідної напруги нижче допустимого, від КЗ, перевантаження по струму, перенапруги та перегріву, а також дистанційне вкл./викл. і регулювання (тільки в перетворювачах з одним виходом) вихідної напруги з використанням зовнішніх резисторів або потенціометра загальним опором 10 кОм, у тому числі цифрового, для дистанційного керування рівнем вихідної напруги.

На рис. 1 наведена схема підключення зовнішнього потенціометра для регулювання рівня вихідної напруги DC/DC-перетворювачів серії RPP з одним виходом.

Порівняння габаритних розмірів

Що стосується габаритних розмірів, то в порівнянні з перетворювачами серії RP модулі серії RPP також дають їм фору, хоча по висоті дещо їм поступаються за рахунок тепловідводу (висота модулів RP 0.4 дюйма, а модулів RPP — 0.48 дюйма). У таблиці 1 наведені порівняльні розміри перетворювачів обох серій, що наочно ілюструють переваги модулів серії RPP.

Таблиця 1. Порівняльні розміри перетворювачів серій RP і RPP

* Для модулів RP60.

У таблицях 2, 3 для спрощення вибору та оцінки можливостей застосування DC/DC-перетворювачів серії RPP у пристроях електроніки зведені їх основні характеристики та параметри.

Таблиця 2. Основні характеристики DC/DC-перетворювачів серії RPP

* Тривалість впливу — 1 секунда.

** Діапазон температур навколишнього середовища без зниження вихідної потужності при вертикальному розташуванні модуля відносно поверхні плати.

Таблиця 3. Основні характеристики DC/DC-перетворювачів серії RPP

Буде доречним нагадати, що зменшення габаритів перетворювачів серії RPP не супроводжується звуженням діапазону їх робочих температур, а, навпаки, завдяки використанню при їх розробці технології ICE діапазон допустимих температур навколишнього середовища без зниження вихідної потужності і застосування примусового відводу тепла розширений до 100 °C.

На графіках рис. 2 наведені залежності вихідної потужності перетворювачів серії RPP з вихідною потужністю 20–50 Вт від температури навколишнього середовища, розташування модуля відносно поверхні плати та діапазону вхідної напруги.

Для забезпечення надійної роботи DC/DC-перетворювачів серії RPP рекомендується включення у вхідному колі запобіжника з струмом спрацьовування, що вдвічі перевищує максимальне значення струму споживання.

Рекомендації щодо застосування

Для зниження рівня пульсацій на виходах перетворювачів і забезпечення відповідності їх величини вимогам стандарту EN61000 (за рівнем викидів напруги і під час перехідних процесів) на вході перетворювача і на кожному з його виходів рекомендується підключати конденсатори ємністю 1 мкФ (1 мкФ/100 В MLCC), що мають малий еквівалентний послідовний опір. Рекомендоване розташування запобіжника, конденсаторів і модуля перетворювача на друкованій платі показано на рис. 3. При звичайних умовах експлуатації конденсатори можна не встановлювати.

Для покращення теплового режиму перетворювачів їх рекомендується встановлювати на мідну пластину і розташовувати вертикально по відношенню до поверхні плати, що покращує розсіювання тепла, що виділяється при роботі перетворювача (різниця допустимої температури навколишнього середовища при встановленні перетворювача вертикально або горизонтально становить близько 10 °C).

Не можна не згадати і про те, що хоча перетворювачі серії RPP відрізняються високим ККД, його значення залежить від рівня вхідної напруги та величини струму навантаження. Максимальне значення ККД може бути отримано при номінальному струмі навантаження та вхідній напрузі, що знаходиться в середині його діапазону. Природно, ККД перетворювачів, що працюють у вужчому діапазоні вхідної напруги (2:1), вищий, ніж перетворювачів, розрахованих на широкий діапазон вхідної напруги (4:1). Ілюстрацією цього можуть бути графіки цих залежностей (рис. 4) для перетворювачів серій RPP30-4805S/SW.