МОДУЛІ ФІЛЬТРІВ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ЗАВАД СЕРІЇ FGDS-10A-50V КОМПАНІЇ GAIA CONVERTER

Основні характеристики модулів фільтрів електромагнітних перешкод серії FGDS-10A-50V з струмом навантаження до 10 А, розроблених компанією Gaia Converter, а також рекомендації щодо їх застосування викладені у цій статті.
Г. Местечкіна

Розвиваючийся у всьому світі з початку 90-х років минулого століття напрям COTS (Commercial Off-the-Shelf) побудови на модульній основі готових функціонально завершених виробів ефективно реалізований компанією Gaia Converter у продукції, призначеній для оптимального вирішення питань електроживлення.

Система електроживлення компанії Gaia Converter розрахована на застосування в апаратурі, призначеній для експлуатації у жорстких умовах навколишнього середовища: у цивільній і військовій авіації, наземній та морській військовій техніці, у торпедах, ракетах, на транспорті (з суфіксом “М” — Military у позначенні), а також в апаратурі, що експлуатується в умовах промислового виробництва, у медичній техніці та системах зв’язку (з суфіксом “I” — Industrial).

Особливістю модульної системи електроживлення, детально описаної у , є її універсальність, яка полягає у можливості вибору первинного джерела як змінної (одно- або трифазної) напруги, так і постійної, що змінюється у широкому діапазоні, а також у наявності низки автономних модулів, з яких може бути сформована система електроживлення.

При цьому система адаптована до відповідних вимог міжнародних стандартів щодо перепадів, зникнення та пульсацій вхідної напруги і забезпечує при цьому низький рівень вхідних і вихідних перешкод, малі пульсації вихідної напруги, високий ККД, велику міцність ізоляції між входом і виходом без застосування оптоізоляторів і високу надійність, у тому числі при роботі у широкому діапазоні температур навколишнього середовища.

Незважаючи на те, що компанія Gaia Converter по праву займає місце європейського лідера у виробництві COTS-перетворювачів, у номенклатуру яких входить понад 3500 стандартних виробів, розробники компанії постійно працюють над розширенням модельного ряду субблоків системи живлення. Одним із таких блоків, що поповнив число модулів цієї системи, стали встановлювані на вході DC/DC-перетворювачів фільтри електромагнітних перешкод (EMI) серії FGDS-10A-50V, розраховані на струм до 10 А і напругу до 50 В .

Фільтри цієї серії заповнили нішу між уже випущеними фільтрами FGDS-2A-50V і FGDS-20A-50V, розрахованими відповідно на струм 2 і 20 А. Тим самим була усунена надлишковість, що виникала при використанні фільтра FGDS-20A-50V у випадку, якщо струм навантаження знаходився в межах від 2 до 10 А.

До основних характеристик нових фільтрів EMI можна віднести відповідність їх ефективності вимогам стандартів для апаратури військового призначення: MIL-STD-461D/E/F (США) і DO-160-C/D/E/F (міжнародного), забезпечення вихідного струму до 10 А, робочої напруги до 50 В, вихідної потужності до 150 Вт.

Діапазон робочих температур модулів фільтрів серії FGDS-10A-50V знаходиться в межах від -40 до 105 °С (корпуса), причому при роботі в цьому діапазоні додатковий теплоотвід не потрібний. Опційно постачаються модулі з мінімальною робочою температурою середовища -55 °С (з суфіксом “Т” у позначенні).

Крім того, цей фільтр витримує без пошкоджень короткочасні стрибки вхідної напруги, що відповідають вимогам стандартів MIL-STD-704A зі стрибками до 80 В/100 мс і 600 В/10 мкс, а також MIL-STD-1275B зі стрибками до 100 В/50 мс і 250 В/70 мкс.

Модулі виконані у герметичному металевому корпусі розмірами 1.5×1×0.5 дюйма і масою 25 г, вони сумісні за виводами з фільтрами FGDS-20A-50V, що дозволяє здійснювати заміну останніх у раніше випущених виробах, у яких величина струму не перевищує 10 А.

Розміщення фільтра у такому компактному корпусі досягнуто завдяки знайденим розробниками компанії Gaia конструктивно-технологічним рішенням і забезпеченню високого ККД, що добре ілюструє рис. 1, на якому показані графіки залежності потужності, що розсіюється фільтром FGDS-10A-50V та його аналогами, від струму навантаження.

Ці рішення забезпечили можливість роботи фільтрів FGDS-10A-50V при температурі корпуса до 105 °С без необхідності застосування теплоотводу і примусового відведення тепла.

Фільтр може бути включений безпосередньо на вході будь-якого DC/DC-перетворювача серії MGDM компанії Gaia або комбінації з декількох перетворювачів із сумарною вихідною потужністю від 50 до 200 Вт і струмом навантаження до 10 А.

Схеми підключення та рекомендації щодо застосування

Для забезпечення відповідності рівня електромагнітних перешкод вимогам стандартів MIL-STD-461D/E/F або DO-160-C/D/E/F необхідно на вході перетворювача серії MGDM вмикати послідовно два фільтри FGDS-10A-50V, як показано на рис. 2.

Для зменшення рівня перешкод компанія Gaia Converter рекомендує встановлювати додатковий RC-ланцюг для зниження вихідного імпедансу фільтра і його узгодження з вхідним імпедансом перетворювача Zin (розраховується за наведеною нижче формулою) і конденсатори Cc (з типовим значенням ємності 10 нФ) до виводів перетворювача (див. рис. 2).

де Vn — напруга на вході перетворювача, Pin і Pout — потужність на вході та виході перетворювача відповідно при номінальному струмі навантаження, η — ККД перетворювача.

Особливості проектування фільтра

При розробці фільтра для підвищення його ефективності зазвичай вживаються заходи щодо зниження величини еквівалентного послідовного опору (ESR) дроселів і керамічних конденсаторів, що входять до його складу. Це дозволяє підвищити добротність фільтра (Q), але одночасно з цим зростає його вихідний імпеданс на резонансній частоті.

Останнє може призвести до самозбудження у системі живлення, тому для запобігання збудженню і зниження вихідного імпедансу фільтра величини опору і ємності елементів RC-ланцюга, встановлюваного на його виході, повинні вибиратися так, щоб вихідний імпеданс фільтра з RC-ланцюгом був меншим за вхідний імпеданс перетворювача приблизно у 3 рази.

Оскільки найчастіше на виході фільтра встановлюється алюмінієвий електролітичний конденсатор, що має досить велике значення ESR, то у встановленні додаткового резистора немає необхідності, а величина ємності конденсатора відповідно до рекомендацій компанії може бути обрана залежно від вихідної потужності перетворювача:

• 100 мкФ — для потужності 75 Вт

• 150 мкФ — для 100 Вт

• 200 мкФ — для 150 Вт

• 270 мкФ — для вихідної потужності 200 Вт

Використання фільтра разом з іншими модулями

У разі необхідності застосування фільтра FGDS-10A-50V спільно з модулем LGDS-300, призначеним для адаптації до первинного джерела при виникненні на його виході сплесків напруги, і модулем HUGD, призначеним для моніторингу та підтримання роботи системи при зникненні вхідної напруги, рекомендується встановлювати два фільтри — перед модулем LGDS і після модуля HUGD, як показано на схемі рис. 3.

Для прикладу на рис. 4 показані графіки, що відображають рівень електромагнітних перешкод на виході модуля MGDS-75-H-F (рис. 4, а) і двох модулів MGDS-75-H-J (рис. 4, б) при підключенні перед ними фільтра FGDS-10A-50V.

Пунктиром на рисунку показаний рівень перешкод у діапазоні частот 0.15–10 МГц, що відповідає вимогам стандарту MIL-STD-461E. Аналіз наведених графіків дозволяє зробити однозначні висновки про ефективність застосування фільтра FGDS-10A-50V, який забезпечує значний запас щодо придушення рівня перешкод відносно допустимого згідно зі стандартом.

Основні технічні характеристики

Основні характеристики фільтра FGDS-10A-50V наведені у таблиці. На рис. 5 наведено розташування і призначення виводів фільтра EMI серії FGDS-10A-50V та його габаритні розміри.

Основні технічні характеристики фільтрів серії FGDS-10A-50V

Висновки

1. Розроблені компанією Gaia Converter фільтри EMI серії FGDS-10A-50V відрізняються високою ефективністю і малими габаритами, що дозволяє встановлювати їх безпосередньо на друковану плату з максимальною висотою компонентів до 0.5 дюйма.
2. Високий ККД і прийняті конструктивні рішення забезпечують можливість роботи фільтра у діапазоні температур від -40 до 105 °С (корпуса) без застосування теплоотводу і у розширеному діапазоні від -55 до 105 °С (корпуса) — опційно (з суфіксом “Т” у позначенні).
3. При висуванні більш жорстких вимог до ефективності придушення перешкод можливе послідовне включення двох або навіть трьох фільтрів — для забезпечення відповідності рівня перешкод на виході DC/DC-перетворювача вимогам стандарту VG95373.
4. Фільтр FGDS-10A-50V може бути встановлений на вході DC/DC-перетворювачів компанії Gaia Converter серій MGDM-75, MGDM-100 і MGDM-150 з вихідною потужністю відповідно 75, 100 і 150 Вт.
5. Додаткову інформацію про продукцію компанії Gaia Converter можна отримати в мережі Інтернет за адресою: http://www.gaia-converter.com або у фірмі VD MAIS — офіційному дистриб’юторі Gaia в Україні.
6. Автор дякує менеджеру VD MAIS М. Гармотько за надану інформацію і консультації.

ЛІТЕРАТУРА

Местечкіна Г. Модульна система електроживлення для жорстких умов експлуатації // ЕКіС — Київ: VD MAIS, 2009, № 2.

MIL-STD-461 EMI Input Filter FGDS-10A-50V: up to 10A Current // Gaia Converter FC05-063.03/10 Revision A.

EMI Filter Solutions (презентація компанії Gaia Converter).