В большинстве мощных блоков питания для отвода выделяемого тепла используется принудительное воздушное охлаждение; однако такой подход непрактичен в полностью герметичном корпусе. Поэтому популярным решением для таких применений стали модули преобразователей с охлаждением от материнской платы.
Что такое модули преобразователей с охлаждением от материнской платы?
Модули преобразователей питания с охлаждением от материнской платы, также известные как «кирпичи», представляют собой модульные решения для питания, интегрируемые в оборудование конечного пользователя. Эти решения с высокой удельной мощностью идеально подходят для герметичных наружных корпусов, транспортных средств и оборонных применений, где их прочная конструкция и кондуктивное охлаждение особенно выгодны. Они также подходят для применений с высокой плотностью и принудительным воздушным охлаждением, где можно использовать их компактные размеры.
Кроме того, они служат строительными блоками для низкорисковых, индивидуальных решений в области питания, разработанных производителем оборудования конечного пользователя при технической поддержке производителя модулей или разработанных непосредственно производителем в качестве индивидуальных решений, с низкими затратами на разработку, сниженным риском и ускоренным выходом на рынок.
С какими областями применения они совместимы?
Преобразователи с охлаждением от материнской платы представляют собой решения для питания на уровне компонентов, а не готовые продукты, которые обычно требуют дополнительных ресурсов и компонентов для правильной работы, электробезопасности, управления тепловым режимом и электромагнитной совместимости (ЭМС). Они предназначены как для постоянного, так и для переменного тока, с диапазонами входного напряжения, рассчитанными на питание от батарей и транспортных средств постоянного тока, а также от источников переменного тока более высокого напряжения, выпрямленных или с коррекцией коэффициента мощности (PFC).
В отрасли разработаны стандартные размеры этих блоков, обозначаемые как восьмая часть, четверть, половина и полная часть. В стандартном блоке с входным напряжением 2:1 можно достичь мощности до 600 или 700 Вт, хотя удельная мощность снижается по мере расширения диапазона входного напряжения до 4:1, 8:1 или даже 12:1 для обеспечения работы с различными номинальными напряжениями батарей в попытке стандартизировать проектирование системы для различных силовых платформ. Также доступны преобразователи переменного тока с охлаждением от материнской платы в качестве более полного решения, обеспечивающего преобразование переменного тока в постоянный при низком напряжении, или в виде модулей коррекции коэффициента мощности (PFC) с высоковольтными выходами (обычно около 400 В постоянного тока) для питания блоков постоянного тока с высоким входным напряжением.
Большинство таких устройств с переменным током также требуют дополнительной конструкции и компонентов, включая высоковольтные электролитические конденсаторы и компоненты для обеспечения электромагнитной совместимости, за одним-двумя исключениями, такими как серия ASB от XP Power, представляющая собой комплексные решения AC-DC мощностью 75, 110 и 160 Вт, которые требуют только управления температурным режимом и включают в себя все остальные компоненты.
Ключевые элементы интеграции силового модуля
Терморегулирование
Управление температурным режимом является ключевым элементом интеграции силовых модулей, предназначенных для охлаждения материнской платой. Модуль спроектирован таким образом, чтобы компоненты, рассеивающие мощность, такие как силовые полупроводники и трансформатор, были термически соединены с материнской платой, температура которой должна поддерживаться ниже максимального рабочего значения в наихудших условиях эксплуатации.
Тепловое сопротивление системы охлаждения должно соответствовать потребляемой мощности нагрузки или конечного оборудования, КПД модуля (который определяет мощность, рассеиваемую в преобразовательном блоке) и максимальной рабочей температуре оборудования. Рассеиваемую мощность (в ваттах) можно определить по техническим характеристикам КПД модуля в наихудших условиях эксплуатации, хотя важно учитывать фактическую рабочую нагрузку и минимальное приложенное входное напряжение, а не КПД, указанный в техническом описании.
Рисунок 1: Пример изменения КПД в зависимости от входного напряжения и нагрузки
После определения КПД в наиболее неблагоприятной рабочей точке остаточная мощность, рассеиваемая в виде тепла, рассчитывается следующим образом:
Рисунок 2: Расчет остаточной мощности, рассеиваемой в виде тепла
После определения потребляемой мощности/теплового потока, простая модель, показанная ниже, определяет требуемое для работы тепловое сопротивление, при этом ∆T определяется как разница между максимальной рабочей температурой оборудования и максимальной температурой материнской платы блока питания. Тепловое сопротивление между корпусом и радиатором обычно составляет 0,1 °C/Вт при использовании термопрокладки или термопасты.
Рисунок 3: Тепловая модель блока питания и радиатора
Тепловое сопротивление радиатора окружающей среде в значительной степени зависит от доступного воздушного потока, а это означает, что в системах с конвекционным охлаждением его физические размеры будут значительно больше, чем в сопоставимой системе питания с принудительным воздушным или жидкостным охлаждением. При использовании нескольких блоков, подключенных к общему радиатору или холодной стенке, суммарная мощность, рассеиваемая каждым блоком в системе в наихудших условиях, определяет требуемое общее тепловое сопротивление.
Электромагнитная совместимость
В дополнение к описанному выше управлению тепловым режимом, модули с охлаждением материнской платы требуют дополнительных внешних компонентов для надлежащей работы, защиты от обратной полярности и контроля уровня шума, а также для защиты от скачков и перенапряжений, как это определено в требованиях к восприимчивости приложения. Это означает, что в конечном приложении должна быть установлена сеть конденсаторов для снижения шума и уменьшения импеданса источника, индукторов и компонентов подавления перенапряжений.
Для обеспечения безопасности в случае катастрофического отказа, вызывающего короткое замыкание в источнике питания, необходимо также установить предохранители. В техническом описании силового модуля и примечаниях к применению будут указаны необходимые значения компонентов, хотя ответственность за их реализацию лежит на инженере-конструкторе, который должен следовать передовым методам проектирования, соблюдая требования к расстоянию утечки и зазорам, а также минимизируя паразитную индуктивность для соответствия требованиям электромагнитной совместимости.
Рисунок 4: Схема систем ввода постоянного тока
FS1 обеспечивает защиту от короткого замыкания на входе, а D1 — защиту от обратной полярности. L1, C1 и C2 образуют П-образный фильтр для подавления дифференциального шума, создаваемого быстрыми изменениями тока в силовом каскаде, а L2, C4 и C5 образуют фильтр синфазного сигнала для подавления шума, создаваемого быстрыми изменениями напряжения в силовом каскаде. C3 обеспечивает низкоимпедансный источник для потребляемого силовым преобразователем тока, а TVS1 представляет собой двунаправленный подавитель переходных импульсных перенапряжений для защиты от скачков и импульсных перенапряжений. C6 и C7 уменьшают синфазный шум на выходе, а для применений, требующих очень низкого уровня шума, на выходе может быть добавлен дополнительный дифференциальный фильтр.
В целом, развязывающие конденсаторы (C4, C5, C6 и C7) должны располагаться как можно ближе к выводам и соединению шасси с материнской платой, чтобы петля была как можно короче. Входной электролитический конденсатор (C3) и подавитель переходных напряжений (TVS1) должны физически располагаться близко к входным выводам модуля, при этом петля должна быть как можно меньше, а прокладки под силовым модулем следует избегать.
Существует ограниченное количество специализированных фильтрующих модулей для защиты от аномальных скачков напряжения, встречающихся в системах передачи постоянного тока и оборонных приложениях. Как правило, для полного соответствия требованиям также требуются дополнительные компоненты.
Рисунок 5: Схема системы защиты от проникновения с использованием оружия класса CC
В данном случае фильтрующий модуль DSF содержит всю необходимую схему активной защиты от перенапряжений для обеспечения номинального напряжения питания 28 В для военной техники, а также фильтрующие индукторы. Конденсатор C1 завершает каскад дифференциальной фильтрации, а конденсаторы C3 и C4 — каскад синфазной фильтрации. Конденсатор C2 обеспечивает низкоимпедансный источник для преобразователя постоянного тока серии MTC. При использовании модуля коррекции коэффициента мощности (PFC) для системы питания переменного тока требуются аналогичные компоненты ЭМС, а также высоковольтный (450 В постоянного тока) электролитический конденсатор (C6), как показано на рисунке. Значение емкости конденсатора определяется требованиями системы к техническому обслуживанию или обеспечению непрерывности работы.
Рисунок 6: Схема систем переменного тока на входе
решения для ввода переменного тока
В некоторых решениях для ввода переменного тока секции коррекции коэффициента мощности (PFC) и преобразователя постоянного тока (DC-DC) объединены в одном блоке, с возможностью подключения конденсатора большой емкости. К системам ввода переменного тока предъявляются дополнительные требования в отношении расстояний утечки и зазоров между фазой и нейтралью, а также между фазой, нейтралью и землей, которые должны быть соблюдены при внедрении в энергосистему. Эти расстояния утечки и зазоры описаны в соответствующем стандарте безопасности для конечного применения.
Дополнительные компоненты, описанные выше, также должны быть тщательно подобраны и иметь соответствующий температурный режим, чтобы оставаться в пределах безопасных температурных ограничений индукторов и фильтрующих конденсаторов, а также чтобы обеспечить желаемый срок службы используемых электролитических конденсаторов на протяжении всего периода эксплуатации конечного оборудования. Тепло от индукторов может рассеиваться на холодную стенку оборудования с помощью соответствующих теплоизолирующих прокладок, а другие компоненты часто устанавливаются на обратной стороне печатной платы и располагаются вдали от высокотемпературных частей.
Ведущие производители этих высокопроизводительных преобразователей с охлаждением материнских плат предоставляют информацию о применении и данные об электромагнитной совместимости (ЭМС) для поддержки процесса проектирования. У них также работают опытные инженеры-разработчики, которые помогают пользователям на этапах проектирования и тестирования на соответствие стандартам, а также предлагают предварительное тестирование на соответствие наиболее распространенным отраслевым, коммуникационным, транспортным и оборонным стандартам ЭМС.
Производитель также использовал модули в самых разнообразных специализированных разработках и накопил бесценный опыт в их применении, а также в соблюдении стандартов безопасности и электромагнитной совместимости. Обращение к производителю модулей для проектирования и производства специализированной блочной системы питания остается популярным вариантом, поскольку это исключает необходимость в дополнительных внутренних ресурсах для проектирования и тестирования и позволяет производителю оригинального оборудования сосредоточиться на проектировании основной системы.
Автор: Эндрю Брайарс
Эндрю Брайарс с отличием окончил факультет электротехники и электроники и работает в индустрии источников питания с 1990 года. Он работает в компании XP более 25 лет и занимал различные инженерные, торговые и управленческие должности, кульминацией чего стала его нынешняя должность старшего менеджера по продукции.
