Высоконадежные компоненты компании GAїA CONVERTER

В статье рассматриваются фильтры помех и DC/DC-преобразователи компании Gaia Converter.

В. Котигорошко

ВВЕДЕНИЕ

В статье рассматриваются основные техниче­ские характеристики и конструктивные особенно­сти высоконадежных (Hi-rel) фильтров помех, моду­лей ограничения выбросов напряжения и DC/DC- преобразователей, выпускаемых компанией Gaia Converter (Франция). Эти компоненты рекомен­дуются производителем для применения в самых разных приложениях [1-12]. Это аппаратура для гражданской и военной авиации, наземной и мор­ской военной техники, а также разнообразное про­мышленное оборудование, медицинская техника, средства связи, железнодорожное оборудование и др., ориентированные на эксплуатацию в жестких условиях окружающей среды.

Источники питания для этих приложений должны соответствовать специфическим требованиям меж­дународных и национальных отраслевых стандар­тов, определяющих уровень излучаемых электро­магнитных помех, наличие дополнительных функ­ций, перечень и порядок проведения испытаний на воздействие жестких условий окружающей среды и пр. В стандартах оговариваются также уровни вход­ных напряжений в разных режимах работы, пара­метры переходных процессов, в том числе и ампли­туда помех на входе, продолжительность интерва­лов, в течение которых происходит снижение до нуля входного напряжения, и пр.

В реальных условиях в электрических цепях электротехнического оборудования могут возни­кать различные виды перегрузок. Наиболее часто в процессе эксплуатации сталкиваются с перенапря­жениями, вызванными электромагнитными импуль­сами естественного (мощные грозовые разряды) и искусственного происхождения (излучения радио­передающих антенн, высоковольтных линий пере­дачи электроэнергии, сетей электрифицированных железных дорог и т.п.). Кроме того, перенапряжения могут возникать вследствие переходных про­цессов при работе оборудования, например, при коммутации индуктивных нагрузок или в результате воздействия электростатических разрядов.

Кратковременные электрические помехи возни­кают в результате внезапного выброса предвари­тельно запасенной электромагнитной энергии в различных физических объектах. В частности, в ре­зультате проявления природных явлений, напри­мер, грозовых разрядов (молний). Кратковремен­ные электрические помехи могут возникать в про­цессе работы разных электронных и электромеха­нических устройств (электродвигателей, генерато­ров, и т.п.), а также могут быть вызваны внешними электромагнитными импульсами или электростати­ческими разрядами.

Воздействие электромагнитных импульсов лю­бого происхождения на электронные компоненты приводит к изменению их параметров, как за счет непосредственного поглощения энергии, так и вследствие воздействия на них индуцированных в электрических цепях оборудования импульсов на­пряжения и тока.

Устройства защиты от перенапряжений пред­отвращают протекание импульсов тока через защи­щаемое устройство вследствие замыкания его на общий провод. Они также ограничивают напряже­ние до значений, совместимых с характеристиками подсоединенных устройств.

В результате многочисленных исследований и измерений были определены ориентировочные па­раметры тестовых импульсов, соответствующие ха­рактеристикам импульсов перенапряжения, возни­кающих в результате переходных процессов в ре­альных условиях эксплуатации разного рода элек­тротехнического оборудования. В соответствующих международных и национальных стандартах (на­пример, EN50155, EN61000-4-5, HN-46-R01, EN60255 и др.), а также в стандартах для оборудования военного назначения (MIL-STD-1245, MIL- STD-704, DO-160D/E и др.) приводятся значения па­раметров тестовых импульсов и характеристики энергопитающей сети, используемые при испыта­ниях электротехнического оборудования на устой­чивость к воздействию кратковременных импульсов напряжения. Продукция компании Gaia Converter соответствует рекомендациям ряда международ­ных и европейских стандартов, используемых в оборонной индустрии, а также в авиационной про­мышленности и на железнодорожном транспорте.

Далеко не полный перечень основных применяе­мых в настоящее время стандартов, на которые можно найти ссылки в технической документации компании Gaia Converter, приведен ниже.

• MIL-STD-883 («Методы, средства управления и процедуры для тестирования микроэлектронных устройств, пригодных для использования в военных и аэрокосмических электронных системах»)
• DO-160 («Условия окружающей среды и мето­дика испытаний авиационного оборудования»)
• MIL-STD 704 («Параметры источников питания летательных аппаратов»)
• EN2282 («Параметры источников питания воз­душных судов»)
• MIL-STD-810 и MIL-STD-202 («Методики кли­матических испытаний оборудования»)
• MILSTD-1275 («Характеристики используемых на военном транспорте систем энергоснабжения постоянного тока номинальным напряжением 28 В»)
• DEF-STAN-61-5-6-6 («Низковольтная система электропитания. Часть 6. Электрические системы постоянного тока напряжением 28 В в военных транспортных средствах»)
• EN61000-4-5 («Электромагнитная совмести­мость. Часть 4-5. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к выбросу напряжения»)
• HN-46-R01 («Общие руководящие указания по проектированию и изготовлению контрольного, за­щитного и телекоммуникационного оборудования для электрических сетей»)

EN50155 («Электронное оборудование, приме­няемое на железных дорогах для подвижного состава»).

Некоторые из действующих стандартов в Украи­не приведены ниже.

• ДСТУ EN 50082-1 («Електромагнітна сумісність. Загальний стандарт на несприйнятливість. Частина Побут, торгівля та легка промисловість»)
• ДСТУ EN 50121-4 («Залізничний транспорт. Електромагнітна сумісність. Частина Емісія та не­сприйнятливість сигнальної та телекомунікаційної апаратури»)
• ДСТУ EN 50121-5 («Залізничний транспорт. Електромагнітна сумісність. Частина Емісія завад та несприйнятливість стаціонарних установок елек­троживлення та апаратури»).

Рис. 1. Вариант структуры фильтра помех

Вариант типовой принципиальной электриче­ской схемы, использование которой позволяет за­щитить DC/DC-преобразователи от нежелательно­го воздействия выбросов напряжения, приведен на рис. 1. В зависимости от величины напряжения пи­тания компания Gaia Converter рекомендует исполь­зовать компоненты фильтра с разными параметра­ми (табл. 1).

Таблица 1. Ориентировочные параметры элементов фильтра помех для разных напряжений

В этой схеме для ограничения импульсов напря­жения используются TVS-диоды (Transient Voltage Suppression). При воздействии импульса перена­пряжения TVS-диод ограничивает выброс напряже­ния до безопасного уровня, при этом ток протекает через диод на общий провод, минуя защищаемое устройство. В идеальном случае TVS-диод пред­ставляет собой разомкнутую цепь с током утечки. Если импульсное напряжение превышает порого­вое напряжение, ток переходного процесса проте­кает через TVS-диод, при этом рассеиваемая мощ­ность ограничивается максимально допустимой температурой кристалла. TVS-диоды разработаны и предназначены для защиты от мощных кратковре­менных импульсов перенапряжения, на что и указы­вает их название (transient voltage suppression diode).

Фильтр помех FGDS-12A-100V

Устанавливаемые, как правило, на входе DC/DC- преобразователей фильтры электромагнитных помех (Electro Magnetic Interference — EMI) типа FGDS-12A-100V рассчитаны на выходной ток до 12 А и входное напряжение до 100 В [2, 3]. К основным параметрам EMI-фильтров можно отнести соответ­ствие их характеристик рекомендациям стандартов для аппаратуры военного назначения:

• MIL-STD-461D/E/F
• DO-160-C/D/E/F и других.

Минимальная рабочая температура — -40 °С, мак­симальная температура корпуса — 105 °C. По от­дельному заказу поставляются фильтры (с суффик­сом «Т» в обозначении) с минимальной рабочей температурой -55 °С. Типовая схема включения фильтра на входе DC/DC-преобразователя приве­дена на рис. 2. Основные параметры EMI-фильтра FGDS-12A-100V даны в табл. 2. При определении температуры корпуса необходимо учитывать, что тепловое сопротивление корпус-окружающая среда при естественной конвекции составляет 17 °С/Вт, а рассеиваемая мощность вычисляется из простого выражения P = RI2, где, R — максимальное эквива­лентное последовательное сопротивление фильтра.

Таблица 2. Основные параметры EMI-фильтра FGDS-12A-100V

Благодаря высокому рабочему входному напря­жению (100 В) фильтр FGDS-12A-100V соответству­ет рекомендациям стандарта MIL-STD-704A/D/E/F (выбросы напряжения до 80 В/100 мс) и MIL-STD-1275 (100 В/50 мс). Фильтры изготавливаются в герме­тичном металлическом корпусе размерами 32.7×26.2×8.2 мм и массой 25 г.

Фильтр FGDS-12A-100V содержит устройство ограничения пускового тока. Хотя фильтрация по­мех осуществляется с использованием только пас­сивных компонентов, для ограничения тока приме­няется МОП-транзистор, поэтому при изменении полярности подключения фильтра не будет осу­ществляться ограничение амплитуды тока, несмотря на то, что фильтр остается работоспособным.

Рис. 2. Типовая схема включения фильтра на входе DC/DC-преобразователя

Модули ограничения выбросов напряжения LGDS-100/300

Чтобы соответствовать рекомендациям между­народных и региональных стандартов, компания Gaia Converter предлагает применять DC/DC-пре- образователи совместно со своими модулями по­давления перенапряжений, возникающих при переход­ных процессах. Входные модули типа LGDS-100/300 устанавливаются непосредственно перед DC/DC- преобразователями и обеспечивают защиту от кратковременных выбросов напряжения и фильтра­цию электромагнитных помех. Основные парамет­ры модулей LGDS-100/300 даны в табл. 3. Алгоритм работы приведен на рис. 3.

Рис. 3. Алгоритм работы модулей ограничения выбросов напряжения

Для защиты цепей электронных устройств от воздействия перенапряжений могут использовать­ся различные методы защиты. Одним из эффектив­ных схемотехнических способов защиты электро­технического оборудования от воздействия выбро­сов напряжения является применение TVS-диодов. Временная диаграмма, иллюстрирующая ограниче­ние выброса напряжения с использованием TVS- диода, приведена на рис. 4 [2].

Для защиты от неправильной полярности подключения можно использовать или стандартную схему с последовательно включенным полупровод­никовым диодом, или вариант c МОП-транзистором в качестве «диода» (рис. 5). Режимы работы и пере­даточные характеристики модулей LGDS-100/300 приведены на рис. 6.

Рис. 4. Временная диаграмма, иллюстрирующая ограничение выброса напряжения с использованием TVS-диода

Рис. 5. Варианты защиты от неправильной полярности подключения

Рис. 6. Режимы работы и передаточные характеристика модулей LGDS-100/300

Таблица 3. Основные параметры модулей LGDS-100/300

Модули ограничения выбросов напряжения LGDS-100 выдерживают импульсы напряжения с амплитудой до 202 В и длительностью до 350 мс или 101 В/400 мс [3], модули LGDS-300 — выбросы на­пряжения с параметрами 100 В/50 мс или 80 В/100 мс [4]. Такие характеристики соответствуют реко­мендациям ряда международных стандартов. Для защиты от высоковольтных импульсов с длитель­ностью до 70 мкс в документации, предоставляе­мой компанией, предлагается применять дополни­тельные фильтры типа FGDS или фильтр помех, реа­лизованный с использованием пассивных элек­тронных компонентов.

Для соответствия рекомендациям стандартов DEF-STAN 59-411 и DEF-STAN 61-5 (Великобритания) на входе модуля LGDS-100 компания Gaia Con­verter предлагает устанавливать фильтр помех, схе­ма которого приведена на рис. 7 [3]. Параметры элементов этого фильтра даны в табл. 4. Перечень стандартов, рекомендациям которых соответ­ствуют модули LGDS-100/300, приведен в табл. 5.

В стандартах регламентируются предельные значения рабочего напряжения и параметры им­пульсов перенапряжения на входных силовых клем­мах оборудования, подключенного к системе элек­троснабжения. На рис. 8 приведены рекомендован­ные в стандарте DO-160E структурная схема фор­мирования тестового импульса перенапряжения и его параметры (Е = 600 В, R_i = 50 Ом) [12].

Рис. 7. Структура фильтра помех для защиты от перенапряжений с параметрами, приведенными в стандарте DEF-STAN 61-5

Таблица 4. Ориентировочные параметры элементов фильтра помех, обеспечивающие выполнение рекомендаций стандарта DEF-STAN 59-411 и DEF-STAN 61-5

Таблица 5. Перечень стандартов, рекомендациям которых соответствуют модули LGDS-100/300

Рис. 8. Структурная схема формирования тестового импульса перенапряжения и его параметры (DO-160E)

DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Компания Gaia Converter выпускает также много­численные модификации DC/DC-преобразовате- лей, отличающиеся уровнем выходной мощности, диапазоном входных напряжений и другими пара­метрами. Далее рассматриваются характеристики (табл. 6) высоконадежных (Hi-rel) DC/DC-преобразователей, ориентированных на эксплуатацию в жестких условиях окружающей среды. Это аппара­тура для гражданской и военной авиации, наземной и морской военной техники, а также промышленного оборудования, системы связи и пр. [5-9]. Изделия для высоконадежных приложений подвергаются от­бору в соответствии со стандартом MIL-STD-883C и отличаются, главным образом, параметрами на­дежности и подтвержденными протоколами испы­таний.

Применение DC/DC-преобразователей с рас­ширенным диапазоном входных напряжений суще­ственно упрощает разработку входных цепей защи­ты от неблагоприятных воздействий переходных процессов и позволяет отказаться от использова­ния дополнительных мер по защите от выбросов напряжения. Изолированные DC/DC-преобразова- тели компании Gaia Converter обеспечивают КПД более 90%, выпускаются в металлических гермети­зированных корпусах и могут эксплуатироваться в широком диапазоне температур (-55…105 °C). От­сутствие в DC/DC-преобразователях оптической развязки значительно повышает их надежность. Преобразователи содержат специализированные устройства защиты и синхронизации, стабилизи­руют выходное напряжение во всем диапазоне на­грузок от нуля до полной мощности, имеют возмож­ность подстройки выходного напряжения, а также дистанционного включения и выключения. Кроме того, предусмотрено устройство плавного запуска, защиты от пониженного входного напряжения, по­вышенного выходного тока и перегрева, имеется также встроенный фильтр электромагнитных помех.

MGDS-155. Высоконадежные (Hi-rel) изолиро­ванные DC/DC-преобразователи MGDS-155 номи­нальной мощностью 150 Вт изготавливаются в алю­миниевом корпусе и ориентированы на применение в системах с распределенной архитектурой элек­тропитания, в которых входное напряжение изме­няется в широком диапазоне значений (от 16 до 80 В). Преобразователи MGDS-155 выдерживают вы­бросы напряжения амплитудой до 100 В и длитель­ностью до 0.1 c. Основные характеристики модифи­каций преобразователей MGDS-155 даны в табл. 7, 8. Структура DC/DC-преобразователя MGDS-155 при­ведена на рис. 9. Его отличительные особенности — повышенный уровень входного напряжения и воз­можность синхронизации импульсного преобразо­вателя от внешнего сигнала. Кроме того, пред­усмотрена возможность дистанционного вкл./выкл. Для увеличения выходного напряжения допускается последовательное соединение выходов преобразо­вателей.

Рис. 9. Структура DC/DC-преобразователя MGDS-155

Таблица 6. Параметры некоторых изолированных DC/DC-преобразователей компании Gaїa Converter

Таблица 7. Основные параметры DC/DC-преобразователей MGDS-155 (Hi-rel)

Таблица 8. Модификации DC/DC-преобразователей MGDS (Hi-rel) мощностью 155 Вт

В DC/DC-преобразователе MGDS-155 пред­усмотрена защита от уменьшения входного напряжения ниже (Undervoltage Lock-Out — UVLO) и уве­личения выходного выше (Output Overvoltage Pro­tection — OVP) допустимого уровня, защита от пере­грузки по току (Output Current Limitation Protection — OCP) и перегрева (Over Temperature Protection — OTP). Значения тепловых сопротивлений DC/DC- преобразователя MGDS-155 при разных условиях отвода тепла приведены в табл. 9. Для ограничений выходного тока в случае короткого замыкания на выходе преобразователь переключается в «пульси­рующий» режим работы hiccup, в котором осу­ществляется периодическая проверка наличия пе­регрузки. Преобразователь автоматически пере­ключается в нормальный режим работы при отсут­ствии перегрузки по току. В режиме hiccup средний ток потребления составляет 25% от номинального тока. Устройство защиты от перегрева срабатывает и преобразователь выключается при достижении температуры корпуса 120 ± 5 °C, гистерезис — 10 °C.

Таблица 9. Значения тепловых сопротивлений DC/DC-преобразователя MGDS-155 (Hi-rel) при разных условиях теплоотвода

В преобразователях MGDS-155 предусмотрена возможность регулировки выходного напряжения c использованием внешнего резистора, который под­ключается к выводу (Vtrim).

Продукция класса Hi-Rel компании Gaia Convert­er подвергается отбору в соответствии со стандар­тами MIL-STD-810/202 и др. [1-9]. Перечень и усло­вия проведения некоторых климатических испыта­ний DC/DC-преобразователей типа MGDS-155 приведены в табл. 10 [5]. Изменение параметров окру­жающей среды при тестировании в соответствии со стандартом MIL-STD-810E (метод 507.3) приведены в табл. 11. Зависимости относительной влажности и температуры от времени испытаний иллюстрирова­ны на рис. 10 [11].

Таблица 10. Перечень и условия проведения некоторых климатических испытаний DC/DC-преобразователей типа MGDS-155

Термоудар. Эти испытания проводятся с целью определения устойчивости изделий к воздействию экстремальных температур, как высоких, так и низ­ких, а также при скачкообразном изменении температуры (при т.н. тепловом ударе), например, в про­цессе перемещения оборудования или деталей.

Таблица 11. Изменение параметров окружающей среды при испытаниях в соответствии со стандартом MIL-STD-810E (метод 507.3)

Изменения рабочих характеристик и физические повреждения изделия, вызванные тепловым уда­ром, являются результатом, главным образом, трансформации размеров или других физических свойств. Последствия теплового удара — это рас­трескивание и расслоение наружного покрытия, растрескивание и разрушение герметизирующих компаундов, термостойких уплотнителей и пр., а также изменение электрических характеристик вследствие механического смещения или разрыва проводников или изолирующих материалов.

В стандарте MIL-STD-202G (метод 107G) пред­усмотрено проведение испытаний на воздействие теплового удара как в воздушной, так и в жидкой среде. Последний метод — более жесткий и в про­цессе его проведения могут повредиться некото­рые компоненты, которые не могут быть разрушены при проведении испытаний в воздушной среде. Кроме того, этот метод предназначен для использо­вания только с герметизированными изделиями.

Рис. 10. Зависимости относительной влажности и температуры от продолжительности испытаний

 MPGS-14A. Неизолированный DC/DC-преобра- зователь MPGS-14A с максимальным выходным то­ком 14 А ориентирован на применение в качестве локализованных к нагрузке (Point of Load — PoL) по­нижающих импульсных стабилизаторов напряже­ния в системах с распределенной архитектурой электропитания. В таких системах, как правило, используется один преобразователь с гальванической развязкой и несколько малогабаритных неизолиро­ванных POL-модулей. Входное напряжение DC/DC- преобразователя MPGS-14A — 4.75…33 В (допус­каются выбросы напряжения амплитудой до 42 В и длительностью до 0.1 c). Выходное напряжение ре­гулируется в диапазоне от 1.2 до 24 В. Габаритные размеры 27.4×19.2×15.3 мм.

Основные характеристики преобразователя MPGS-14A даны в табл. 12 [7]. В преобразователе предусмотрена защита от уменьшения входного на­пряжения ниже допустимого уровня (UVLO), защита от перегрузки по току (OCP) и перегрева (OTP).

Таблица 12. Основные параметры модификаций неизолированных преобразователей MPGS-14A (Hi-rel)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При проектировании систем электропитания вы­соконадежной аппаратуры приходится решать раз­ные технические задачи, среди которых обеспече­ние электромагнитной совместимости, устойчиво­сти к перенапряжениям, вибрациям и воздействию экстремальных температур. Продукция компании Gaia Converter, характеризуется широкими функ­циональными возможностями, изготавливается с учетом жестких требований к параметрам и каче­ству изделий, что позволяет создавать надежные системы электропитания.

Hi-Rel-компоненты компании Gaia Converter со ответствуют рекомендациям стандартов DO-160, MIL-STD-704/810 и др. Благодаря высокой надеж­ности они применяются в военной и гражданской авиации, военной технике (беспилотных летатель ных аппаратах, оборудовании кораблей военно­морского флота и пр.), на транспорте, в промыш­ленном оборудовании (приборах гидролокации, нефтегазодобывающем оборудовании и пр.). В за­ключение на рис. 11 приведен вариант структуры источника питания постоянного тока, созданного на базе компонентов компании Gaia Converter Источник содержит входной фильтр помех FGDS-12A-100V, мо­дуль ограничения выбросов напряжения LGDS-100, модуль защиты от провалов входного напряжения HUGD-300 и изолированный DC/DC-преобразова- тель. Хотя в большинстве случаев использование одного фильтра помех FGDS-12A-100V вполне до­статочно для соответствия рекомендациям стан­дартов MIL-STD-461 и DO-160, можно подключить второй фильтр для достижения большего подавле­ния помех [2].

Рис. 11. Вариант структуры источника питания постоянного тока, созданного на базе компонентов компании Gaїa Converter

Пример расшифровки обозначения преобразо­вателей серии MGDS-155 приведен на рис. 12. Ком­пания Gaia Converter выпускает также DC/DC-преобразователи серии MGDS-155-S с увеличенным входным напряжением до 155…480 В.

Рис. 12. Пример расшифровки обозначения преобразователей серии MGDS-155

Более полную информацию о продукции компа­нии Gaia Converter можно получить в фирме VD MAIS — официальном дистрибьюторе компании Gaia Converter в Украине.