Новое поколение модульных DC/DC-преобразователей INTERPOINT

Компания Crane Aerospace & Electronics, которая поставляет преобразователи питания специ­ального назначения под брендом Interpoint, объявила о разработке новых низкопрофильных DC/DC-модулей класса Hi-Rel номинальной мощ­ностью 6 Вт и о начале производства новой серии радиационно-стойких изолированных DC/DC-преобразователей номинальной мощностью 40 Вт.

В. Черный

НОВЫЙ DC/DC-МОДУЛЬ HI-REL

Наибольший интерес для разработчиков, конеч­но же, представляет появление нового модуля се­рии MSA+ с увеличенной плотностью мощности на замену известной серии MSA высоконадежных преобразователей питания. Нужно отметить, что предыдущая серия преобразователей MSA отлично себя зарекомендовала на борту военных и граждан­ских воздушных судов, военной и специализиро­ванной техники, в т.ч. в таких знаковых проектах, как истребитель Joint Strike Fighter F-35 (рис. 1), верто­лет Apache и другие.

Конверторы Interpoint MSA применяются также и в космических аппаратах, предназначенных для ра­боты на низких орбитах. Некоторые потребители продукции компании испытали преобразователи MSA и пришли к выводу, что они сохраняют работо­способность при поглощенной дозе излучения бо­лее 50 крад (Si), при этом влияние тяжелых ионов с энергией до 100 МэВ, полученных в линейном уско­рителе, не приводит к нарушению их работы . Та­ким образом, конверторы MSA применяются в низкоорбитальных космических миссиях, несмот­ря даже на то, что эти изделия специально не кон­струировались для применения в условиях косми­ческой среды.

Производитель имеет право создавать устрой­ства классов H и K в соответствии с MIL-PRF-38534 на своем оборудовании и отбраковывать эти изде­лия по стойкости к воздействию факторов окружаю­щей среды, в соответствии с военным стандартом MIL-STD-883.

Помимо преобразователей высокой надежности компания Crane A&E выпускает и достаточно широкую линейку специализированных “космических” преобразователей , параметры которых приве­дены в табл. 1. Они широко использутся как в про­ектах NASA, так и в космических программах других стран, включая Украину. Общеизвестно участие компании в проектах марсоходов, в том числе и не­угомонного Curiosity (рис. 2), в авионике ракетоно­сителя Ariane 5 и др.

Новые преобразователи постоянного тока MSA+ (рис. 3) совместимы по выводам с предшественни­ками MSA и предназначены для их прямой замены в существующих схемах и, безусловно, для примене­ния в новых проектах. Итак, что изменилось?

Увеличилась выходная мощность отдельного устройства с 5 до 6 Вт при меньшей высоте профи­ля, расширился диапазон допустимых входных на­пряжений, вместо оптопары для гальванической развязки применяется развязка с помощью транс­форматоров.

Серия MSA+ включает 8 моделей с одним или двумя выходами (рис. 4) на выходные напряжения 3.3, 5, 5.2, 12, 15, ±5, ±12 или ±15 В постоянного тока. На вход MSA+ подается напряжение с шины питания в диапазоне от 15 до 50 В постоянного тока (ранее было от 16 до 40 В). Допускаются всплески напряжения при переходных процессах до 80 В (длительность фронта до 50 мс). В модуле пред­усмотрена защита от короткого замыкания.

Типичный КПД достигает 76%, что является при­емлемым показателем для данного класса устройств. Для двухканальных моделей допустимая мощность на канал – до 4,8 Вт или 80% от общей мощности. Двухканальные модели также могут быть настроены как одноканальные с удвоением выход­ного напряжения.

Рис. 1. Модули питания Interpoint используются в авионике истребителей F-35

Таблица 1. Радиационно-стойкие DC/DC-преобразователи Interpoint

Для обеспечения требований CE03 стандарта MIL-STD-461C по электромагнитной совместимо­сти производитель настоятельно рекомендует ис­пользовать с преобразователями MSA+ фильтр FMSA-461 в модульном исполнении, который также выпускается Crane A&E.

Рис. 2. Радиационно-стойкие модули Interpoint стали основой архитектуры питания марсохода Curiosity

Герметичный металлический корпус с габарит­ными размерами 27.05×27.05×8.89 мм и специальным покрытием обеспечивает надежную защиту модуля. Новинка доступна в корпусах без фланцев или с фланцами для фиксации винтами (рис. 5). Асимметричное расположение фланцев позволяет увеличить плотность крепления модулей в ряд на плате.

Диапазон рабочих температур модулей состав­ляет от -55 до 125 °C (до 135 °C со снижением мощ­ности). В спецификации при монтаже пайкой оплав­лением или волной припоя не рекомендуется ис­пользовать температуры выше +300 °C и подвергать устройство воздействию температур выше пре­дельной дольше 10 секунд.

Рис. 3. Внешний вид DC/DC-преобразователей MSA+

Рис. 4. Структурная схема преобразователя MSA+ с двухканальным выходом

Рис. 5. Габаритные и посадочные размеры преобразователя MSA+ с монтажными фланцами

Модули MSA+ проходят стандартизированную программу испытаний по MIL-PRF-38534 или с рас­ширенными требованиями (варианты исполнения ES, SX). В самом жестком варианте отбраковки SX устройства подвергаются, среди прочего, термо­циклированию в диапазоне от -65 до +150 °C, воз­действию постоянных ускорений до 3000 g, провер­ке герметичности в среде перфторуглеводорода и гелия, расширенной проверке электрических харак­теристик при температурах -55, 25 и 125 °C, тести­рованию характеристик при длительной работе в тя­желых условиях: 160 часов при температуре 125 °C.

Модули поставляются под заказ в исполнении с монтажными фланцами или без них и не являются объектом экспортного контроля США.

Особая “космическая” версия SMSA (рис. 6) пока остается при прежних характеристиках. Мо­дуль имеет выходную мощность 5 Вт, диапазон входного напряжения от 16 до 40 В (броски до 50 В при длительности до 120 мс), другие характеристи­ки те же. Преобразователи SMSA поставляются в различных вариантах исполнении: Class H, Class K и в радиационно-стойких (RHA) исполнениях: O (для прототипирования, не тестируется), P (30 krad (Si)), L (50 krad (Si)) или R (100 krad (Si)), в соответствии с MIL-STD-38534.

Рис. 6. Внешний вид DC/DC-преобразователя SMSA

Кроме модулей MSA, которые являются одними из наиболее известных и применяемым изделий, компания Crane Aerospace & Electronics провела определенный апгрейд всей продуктовой линейки, как класса Hi-Rel, так и радиационно-стойких моду­лей.

В частности, следует отметить постепенное внедрение во всех модулях для обеспечения раз­вязки в цепи обратной связи трансформаторов не­большой мощности (magnetic feedback) вместо оп­топар, поскольку именно оптопара является “ахил­лесовой пятой” в преобразователях питания косми­ческого и специального назначения. Ведь под воз­действием заряженных частиц коэффициент пере­дачи тока оптопар может значительно снижаться, вплоть до значений, когда петля обратной связи по напряжению будет не в состоянии удерживать уро­вень выходного напряжения в норме. Начальный момент потери регулируемости всегда внезапен и ведет к значительному увеличению выходного на­пряжения, сначала в режиме малой нагрузки, а за­тем и для всех режимов. Отказ преобразователя при этом маловероятен, а вот устройства, которые питаются от него, могут пострадать. Отказ от оптро­нов в пользу трансформаторной развязки должен, по мнению производителя, повысить стабильность характеристик преобразователей питания.

НОВЫЙ DC/DC-МОДУЛЬ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Примером может служить модуль SMP120 из новой серии DC/DC-преобразователей для работы от бортовой сети космических аппаратов (КА) на­пряжением 100/120 В постоянного тока (рис. 7).

Рис. 7. Внешний вид DC/DC-преобразователя SMP120

Диапазон входного напряжения SMP120 от 80 до 160 В. Модули способны выдерживать импульсы на­пряжения 180 В длительностью до 100 мс. В данный момент доступны для заказа одноканальные моду­ли с выходным напряжением 5 и 28 В, в перспективе ожидаются одноканальные модули на 12 и 15 В, двухканальные – на ±5, ±12 и ±15 В.

Преобразователи выпускаются в исполнениях Class H и Class K согласно требованиям MIL-PRF- 38534 с уровнями радиационной стойкости L и R. Испытания на предельно накопленную дозу выпол­няются как при высокой интенсивности облучения 50…300 rad(Si)/sec, так и облучением низкой интен­сивности 10 mrad(Si)/sec для определения эффекта восприимчивости к длительному воздействию низ­кой мощности дозы (Enhanced Low Dose Rate Sensi­tivity – ELDRS).

Стойкость к воздействиям одиночных заряжен­ных частиц составляет 43 МэВ^см2 по эффекту от­казов SEB (Single Event Burnout – пробой истоковой области в мощных MOSFET), SEL (Single Event Latch- up – тиристорный эффект) и SET (Single Event Tran­sient – переходная ионизационная реакция в виде импульсов напряжения в выходных цепях).

Модули способны работать в условиях воздей­ствия неблагоприятных факторов внешней среды на борту космических аппаратов, таких как вибра­ционная нагрузка, линейные перегрузки, механиче­ских удары, низкое давление газовой среды, повы­шенная влажность. Диапазон рабочей температуры от -55 до 125 °C.

В модуле SMP120 реализованы:

• дистанционное включение/отключение
• синхронизация работы преобразователя внеш­ним сигналом
• подстройка выходного напряжения (±10%)
• защита от короткого замыкания в нагрузке
• защита от пониженного входного напряжения и перенапряжения на выходе
• ограничение пускового тока.
• применение трансформатора в цепи обратной связи.

Особо необходимо отметить наличие встроен­ного на входе ограничителя пускового тока, кото­рый необходим в системах электропитания борто­вой электронной аппаратуры, первичный источник электропитания которых (например, аккумулятор­ная батарея) ограничен по мощности и не допускает бросков потребляемого тока.

Модули серии SMP120 выполнены по прямохо­довой схеме с хорошо отработанным методом ШИМ-регулирования на постоянной частоте пре­образования 500 кГц. Топология с токовым управле­нием обеспечивает высокий уровень подавления пульсаций тока на входе и выходе. Применение на входе двухзвенного демпфированного LC-фильтра уменьшает пульсации входного тока. Демпфирование фильтра уменьшает выбросы напряжения на резо­нансных частотах для минимизации воздействия напряжения на элементы фильтра и силовые компонен­ты. Демпфирование также служит для уменьшения взаимного влияния выходного импеданса фильтра и отрицательного входного импеданса DC/DC-преобразователя.

Модули SMP120 выпускаются в герметичных стальных корпусах с габаритными размерами 76,2×58,42×12,22 мм.

Поставка модулей серии SMP120 осуществляется на основании EAR99 без оформления лицензии на экспорт. Стандартный срок поставки модулей состав­ляет 29-32 недели.

РАСШИРЕНИЕ МОДЕЛЬНОГО РЯДА DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ INTREPOINT

Нельзя не заметить, сравнивая продуктовые ли­нейки разных лет, появление в ассортименте новых серий с повышенным КПД (что, впрочем, не очень кри­тично для целевых рынков), со встроенными фильтра­ми электромагнитных помех (EMI-фильтров), с допол­нительными функциями и т.п. (табл. 2). Очевидно раз­работчики продолжают работу над совершенствова­нием продукции, хотя компания Crane Aerospace & Electronics достаточно уверенно чувствует себя на рынке, имея едва ли не монопольное положение в от­дельных сегментах.

Следует отметить, что значительное влияние на совершенствование преобразователей Interpoint было оказано подготовкой к марсианской космиче­ской миссии Mars Science Laboratory, в ходе которой на Красную Планету был заброшен марсоход Curiosity. На борту “Любопытства” применено девять различных серий преобразователей и EMI-фильтров Interpoint, включая SMSA, SMFLHP, SMRT, SMHF и SFME.

Испытания на устойчивость к воздействию тяже­лых заряженных частиц проводились в течение года на циклотроне Texas A&M University (TAMU) и на ускорите­ле Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Для имитационного моделирования случайных воздей­ствий использовался сфокусированный лазер Naval Research Laboratory (NRL). Тестировались как пре­образователи в целом, так и отдельные компоненты, в частности, биполярные ИМС компаратора ШИМ-конт­роллера, источники опорного напряжения операцион­ного усилителя и другие узлы. Результаты опытов были учтены при разработке новых поколений устройств .

Таблица 2. DC/DC-преобразователи Interpoint класса Hi-Rel

Неудивительно, что именно DC/DC-преобразователи и EMI-фильтры Interpoint были выбраны Jet Propulsion Laboratory (JPL), генподрядчиком NASA в миссии Марс-2020, для питания следующего марсо­хода (усовершенствованная версия Curiosity, которая стартовала летом этого года и “примарсится” в фев­рале 2021 года).