Изолированные DC/DC-преобразователи серии RPP с расширенным диапазоном рабочих температур

В статье приведены основные характеристики и параметры новых экономичных изолированных DC/DC-преобразователей серии RPP с выходной мощностью 20-50 Вт, рассчитанных на работу в расширенном диапазоне температур.
Г. Местечкина

Широко известная во всем мире как разработчик и производитель AC/DC- и DC/DC-преобразователей малой мощности компания Recom не только расширяет номенклатуру выпускаемых изделий, но и постоянно модифицирует их с целью повышения технических характеристик, ужесточения условий эксплуатации и расширения областей применения. Примером такого подхода к новым разработкам может быть серия RPP изолированных DC/DC-преобразователей с выходной мощностью от 20 до 50 Вт, отличающихся не только высоким КПД (до 92%) и высокой удельной мощностью, но и широким диапазоном рабочих температур без применения принудительного отвода тепла (от -45 до 100 °С для окружающей среды и до 120 °С -температуры корпуса). По спецзаказу могут изготавливаться модели преобразователей, рассчитанных на работу при температуре до -55 °С. Такое существенное улучшение параметров преобразователей серии RPP (RPPlus) в сравнении с их аналогами серии RP [1] достигнуто благодаря применению технологии ICE (Innovation in Converter Excellence), позволившей совместить повышение технических характеристик с уменьшением рассеиваемой мощности и соответствующим расширением диапазона рабочих температур при одновременном снижении цены на новые модули.

Одной из составляющих ICE-технологии является минимизация излучаемого модулем тепла. Поэтому, для снижения потерь прежде всего необходимо увеличивать, насколько возможно, КПД преобразователя во всем диапазоне изменения входного напряжения и при различных токах нагрузки. Большинство преобразователей напряжения разрабатываются так, что максимальное значение КПД обеспечивается при температуре 25 °С, полной нагрузке и номинальном уровне входного напряжения. При незначительном изменении тока нагрузки или повышении температуры окружающей среды до максимально допустимой, получаются компромиссные параметры. В ICE-технологии используется современный уровень развития техники, что позволяет повысить КПД примерно на 2% по сравнению со стандартными преобразователями. На первый взгляд, такое повышение КПД кажется незначительным, но разница между КПД 88 до 90% выливается в уменьшение излучаемой в виде тепла мощности на 17%. Кроме того, с уменьшением тока нагрузки происходит переход на энергосберегающий режим, когда ток, потребляемый от источника входного напряжения, снижается до нескольких миллиампер.
Еще одной особенностью ICE-технологии являются найденные новые конструктивные решения, заключающиеся в том, что компоненты, излучающие наибольшую тепловую энергию (работающие в импульсном режиме полевые транзисторы, трансформатор и используемые в выпрямителе полевые транзисторы) размещаются вблизи стенок корпуса преобразователя. Это решение создает производителям дополнительные трудности, но, вместе с тем, позволяет существенно снизить внутреннее тепловое сопротивление преобразователя. Кроме того, благодаря оригинальной конструкции корпуса, который включает встроенный теплоотвод, улучшается отвод излучаемого преобразователем тепла. В дополнение, корпус выполнен из толстого слоя авиационного алюминия в отличие от тонкого медного покрытого никелем корпуса, обычно используемого в аналогичных преобразователях. Такое решение позволяет улучшить тепловой контакт между корпусом и обладающим большой теплопроводностью силиконовым материалом, которым заполнен корпус преобразователя для его герметизации.
Полученные в новой серии преобразователей «плюсы» сделали возможным расширение областей их применения, включая авиационную и наукоемкую передовую промышленную технику.
Дополняют преимущества преобразователей серии RPP наличие встроенного в них фильтра электромагнитных помех (класса В) и теплоотвода, совмещенного с металлическим корпусом, что не только улучшает условия отвода тепла, особенно при вертикальном расположении модуля относительно поверхности платы, но и обеспечивает снижение уровня излучаемых модулем электромагнитных помех благодаря тому, что корпус и теплоотвод одновременно выполняют роль экрана.
Кроме того что в модулях серий RPP20/30 сохранены те же, что и в модулях RP20/30, диапазоны изменения уровня входного напряжения (2:1): 9-18, 18-36, 36-75 В и (4:1): 9-36, 1875 В и модели с одним или двумя выходами напряжением 3.3, 5, 12 и 15 В (S) или ±12 и ±15 В (D), а также обеспечивается возможность снижения до нуля тока нагрузки, в модули серий RPP20/30_D введены выходные напряжения ±24 В. В то же время, модули серий RPP40/50 имеют только один диапазон изменения входного напряжения (2:1): 18-36 и 3675 и только один выход напряжением 3.3, 5, 12 или 15 В.

Весомым «плюсом» в пользу модулей серии RPP является и увеличение (до 3 кВ) прочности изоляции (в серии RP — 1.6 кВ). Во всех модулях преобразователей серии RPP обеспечивается защита от снижения входного напряжения ниже допустимого, от КЗ, перегрузки по току, перенапряжения и перегрева, а также дистанционное вкл./выкл. и регулировка (только в преобразователях с одним выходом) выходного напряжения с использованием внешних резисторов или потенциометра общим сопротивлением 10 кОм, в том числе цифрового, для дистанционного управления уровнем выходного напряжения.
На рис. 1 приведена схема подключения внешнего потенциометра для регулировки уровня выходного напряжения DC/DC-преоб-разователей серии RPP с одним выходом.

Рис. 1. Схема подключения потенциометра для регулировки выходного напряжения преобразователей серии RPP

Что касается габаритных размеров, то в сравнении с преобразователями серии RP модули серии RPP также дают им фору, хотя по высоте несколько им уступают за счет теплоотвода (высота модулей RP 0.4 дюйма, а модулей RPP — 0.48 дюйма). В таблице 1 приведены сравнительные размеры преобразователей обеих серий, наглядно иллюстрирующие преимущества модулей серии RPP.

Таблица 1. Сравнительные размеры преобразователей серий RP и RPP

* Для модулей RP60.

В таблицах 2, 3 для упрощения выбора и оценки возможностей применения DC/DC-пре-образователей серии RPP в устройствах электроники сведены их основные характеристики и параметры.

Таблица 2. Основные характеристики DC/DC-преобразователей серии RPP

* Продолжительность воздействия – 1 секунда.

** Диапазон температур окружающей среды без снижения выходной мощности при вертикальном расположении модуля относительно поверхности платы.

Таблица 3. Основные характеристики DC/DC-преобразователей серии RPP

Будет уместным напомнить, что уменьшение габаритов преобразователей серии RPP не сопровождается сужением диапазона их рабочих температур, а, напротив, благодаря использованию при их разработке технологии ICE диапазон допустимых температур окружающей среды без снижения выходной мощности и применения принудительного отвода тепла расширен до 100 °С.
На графиках рис. 2 приведены зависимости выходной мощности преобразователей серии RPP с выходной мощностью 20-50 Вт от температуры окружающей среды, расположения модуля относительно поверхности платы и диапазона входного напряжения.
Для обеспечения надежной работы DC/DC-преобразователей серии RPP рекомендуется включение во входной цепи предохранителя с током срабатывания, вдвое превышающим максимальное значение тока потребления.

Рис. 2. Графики зависимости выходной мощности DC/DC-преобразователей серии RPP 20/30/40/50 от температуры окружающей среды, расположения модуля на плате и диапазона входного напряжения

Для снижения уровня пульсаций на выходах преобразователей и обеспечения соответствия их величины требованиям стандарта EN61000 (по уровню выбросов напряжения и во время переходных процессов) на входе преобразователя и на каждом из его выходов рекомендуется подключать конденсаторы емкостью 1 мкФ (1 мкФ/100 В MLCC), имеющие малое эквивалентное последовательное сопротивление. Рекомендуемое расположение предохранителя, конденсаторов и модуля преобразователя на печатной плате показано на рис. 3. При обычных условиях эксплуатации конденсаторы можно не устанавливать.

Рис. 3. Рекомендации по размещению на плате с модулем RPP внешних элементов (конденсаторов и предохранителя)

Для улучшения теплового режима преобразователей их рекомендуется устанавливать на медную пластину и располагать вертикально по отношению к поверхности платы, что улучшает рассеяние выделяемого при работе преобразователя тепла (разница допустимой температуры окружающей среды при установке преобразователя вертикально или горизонтально составляет около 10 °С).
Нельзя не упомянуть и о том, что хотя преобразователи серии RPP отличаются высоким КПД, его значение зависит от уровня входного напряжения и величины тока нагрузки. Максимальное значение КПД может быть получено при номинальном токе нагрузки и входном напряжении, находящемся в середине его диапазона. Естественно, КПД преобразователей, работающих в более узком диапазоне входного напряжения (2:1), выше, чем преобразователей, рассчитанных на широкий диапазон входного напряжения (4:1). Иллюстрацией этого могут быть графики этих зависимостей (рис. 4) для преобразователей серий RPP30-4805S/SW.

Рис. 4. Графики зависимости  КПД DC/DC-преобразователей серии RPP30-4805S/SW от уровня и диапазона входного напряжения (а) и тока нагрузки (б)