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

Основні характеристики та призначення перетворювачів серії RPP

У статті наведено 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

Загальна характеристика та концепція розвитку продукції Recom

Широко відома в усьому світі як розробник і виробник AC/DC- та DC/DC-перетворювачів малої потужності компанія Recom не лише розширює номенклатуру продукції, що випускається, а й постійно модифікує її з метою підвищення технічних характеристик, посилення умов експлуатації та розширення сфер застосування. Прикладом такого підходу до нових розробок може бути серія RPP ізольованих DC/DC-перетворювачів з вихідною потужністю від 20 до 50 Вт, які відрізняються не лише високим ККД (до 92 %) та високою питомою потужністю, але й широким діапазоном робочих температур без застосування примусового відведення тепла (від –45 до 100 °С для навколишнього середовища і до 120 °С — температури корпусу). За спеціальним замовленням можуть виготовлятися моделі перетворювачів, розраховані на роботу при температурі до –55 °С. Таке істотне покращення параметрів перетворювачів серії RPP (RPPlus) порівняно з їх аналогами серії RP досягнуто завдяки застосуванню технології ICE (Innovation in Converter Excellence), яка дозволила поєднати підвищення технічних характеристик зі зменшенням розсіюваної потужності та відповідним розширенням діапазону робочих температур при одночасному зниженні ціни на нові модулі.

Технологія ICE та підвищення ККД

Мінімізація тепловиділення

Однією зі складових ICE-технології є мінімізація тепла, що випромінюється модулем. Тому для зниження втрат насамперед необхідно максимально підвищувати ККД перетворювача у всьому діапазоні зміни вхідної напруги та при різних струмах навантаження. Більшість перетворювачів напруги розробляються таким чином, що максимальне значення ККД забезпечується при температурі 25 °С, повному навантаженні та номінальному рівні вхідної напруги. За незначної зміни струму навантаження або підвищення температури навколишнього середовища до максимально допустимої отримуються компромісні параметри.

Переваги енергоефективності

У ICE-технології використовується сучасний рівень розвитку техніки, що дозволяє підвищити ККД приблизно на 2 % порівняно зі стандартними перетворювачами. На перший погляд таке підвищення ККД здається незначним, але різниця між ККД 88 і 90 % призводить до зменшення потужності, що виділяється у вигляді тепла, на 17 %. Крім того, зі зменшенням струму навантаження відбувається перехід в енергозберігаючий режим, коли струм, що споживається від джерела вхідної напруги, знижується до кількох міліампер.

Конструктивні особливості та тепловий режим

Розміщення тепловиділяючих компонентів

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 в імпульсному режимі, трансформатор і польові транзистори, що використовуються у випрямлячі), розміщуються поблизу стінок корпусу перетворювача. Це рішення створює для виробників додаткові труднощі, але водночас дозволяє істотно знизити внутрішній тепловий опір перетворювача.

Конструкція корпусу та матеріали

Крім того, завдяки оригінальній конструкції корпусу, який містить вбудований теплоотвід, покращується відведення тепла, що випромінюється перетворювачем. Додатково корпус виконаний із товстого шару авіаційного алюмінію на відміну від тонкого мідного корпусу з нікелевим покриттям, який зазвичай використовується в аналогічних перетворювачах. Таке рішення дозволяє покращити тепловий контакт між корпусом і силіконовим матеріалом з високою теплопровідністю, яким заповнений корпус перетворювача для його герметизації.

Сфери застосування та додаткові переваги

Отримані в новій серії перетворювачів «плюси» дали змогу розширити сфери їх застосування, включаючи авіаційну та наукоємну передову промислову техніку.

Доповнюють переваги перетворювачів серії RPP наявність вбудованого фільтра електромагнітних завад (класу B) і теплоотводу, поєднаного з металевим корпусом, що не лише покращує умови відведення тепла, особливо при вертикальному розташуванні модуля відносно поверхні плати, але й забезпечує зниження рівня електромагнітних завад, що випромінюються модулем, завдяки тому, що корпус і теплоотвід одночасно виконують роль екрана.

Номінали напруг та конфігурації виходів

Окрім того, що в модулях серій RPP20/30 збережено 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 та 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 введено вихідні напруги ±24 В. Водночас модулі серій RPP40/50 мають лише один діапазон зміни вхідної напруги (2:1): 18–36 і 36–75 В та лише один вихід з напругою 3.3, 5, 12 або 15 В.

Ізоляція, захист і регулювання

Вагомим «плюсом» на користь модулів серії RPP є й 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 короткого замикання, перевантаження за струмом, перенапруги та перегріву, а також дистанційне вмикання/вимикання і регулювання (лише у перетворювачах з одним виходом) вихідної напруги з використанням зовнішніх резисторів або потенціометра із загальним опором 10 кОм, у тому числі цифрового, для дистанційного керування рівнем вихідної напруги.

Що стосується габаритних розмірів, то порівняно з перетворювачами серії RP модулі серії RPP також випереджають їх, хоча за висотою дещо поступаються за рахунок теплоотводу (висота модулів RP — 0.4 дюйма, а модулів RPP — 0.48 дюйма). У таблиці 1 наведено порівняльні розміри перетворювачів обох серій, які 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 в електронних пристроях зведено 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

Температурні режими та рекомендації з експлуатації

Буде доречно 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 та застосування примусового відведення тепла розширено до 100 °С.

На графіках рис. 2 наведено 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 вхідний ланцюг запобіжника зі струмом спрацювання, що вдвічі перевищує максимальне значення струму споживання.

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

Умови встановлення та вплив на ККД

Для покращення теплового режиму перетворювачів їх рекомендується встановлювати на мідну пластину та розташовувати вертикально відносно поверхні плати, що покращує розсіювання тепла, яке виділяється під час роботи перетворювача (різниця допустимої температури навколишнього середовища при вертикальному або горизонтальному встановленні перетворювача становить близько 10 °С).

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 отримане при номінальному струмі навантаження та вхідній напрузі, що знаходиться посередині її діапазону. Очевидно, що ККД перетворювачів, які працюють у більш вузькому діапазоні вхідної напруги (2:1), є вищим, ніж у перетворювачів, розрахованих на широкий діапазон вхідної напруги (4:1). Ілюстрацією цього можуть бути графіки цих залежностей (рис. 4) для перетворювачів серій RPP30-4805S/SW.