Разработав микросхему для преобразователей напряжения, компания Morsnun добилась увеличения надежности и уменьшения стоимости DC-DC преобразователей.
Работа оптоизолированных интерфейсов требует гальванического разделения питания. Использование операционных усилителей может потребовать двухполярного питания. Эти и аналогичные им ситуации, когда необходимо или дополнительное значение напряжения, или гальванически не связанное с основным питанием, достаточно часто попадаются разработчикам электронных устройств. Подобные задачи можно решить применением готовых модульных изолированных или неизолированных DC-DC преобразователей. Такие модули имеют различные корпуса для поверхностного и сквозного монтажа, могут быть полностью залитыми компаундом или иметь открытую конструкцию. На рис. 1 изображены подобные преобразователи в различных типах корпусов.
Учитывая жесткую конкуренцию на рынке, разработчики обязаны уделять внимание стоимости конечного продукта и снижать затраты времени на его разработку. Применение готовых модулей позволяет уменьшить эти факторы и попутно выполнить условие ЭМС (электромагнитной совместимости) устройства, так как основную часть этой задачи выполняет производитель модулей DC-DC преобразователей. При выборе такого модуля разработчику требуется лишь учесть необходимый класс ЭМС и выполнить рекомендации по интеграции модуля в проект и установке дополнительных компонентов для фильтра, если таковые потребуются.
Развитие систем беспроводной передачи данных, их использование в стационарных и мобильных приложениях в свою очередь вызвало и развитие режимов питания. Экономичность работы преобразователей – важное требование, особенно с учетом автономного питания. Для большей экономии энергии устройство большую часть времени может находиться в спящем режиме. Активная работа (передача данных) начинается лишь при возникновении определенного события, а значит, время запуска DC-DC преобразователя тоже является важным параметром.
На рынке присутствует достаточно большое количество производителей преобразователей с широкой номенклатурой компонентов, и в данный момент выбор необходимого модуля не является сложным, однако большинство предлагаемых преобразователей имеют схожую схемотехнику.
Особенности классической схемы преобразователей DC-DC
Изолированные преобразователи часто строятся в различных вариантах схемы Ройера, представляющей собой транзисторный релаксационный генератор колебаний, например, как изображенный на рис. 2 двухполупериодный преобразователь напряжения со средней точкой.
Достоинство такого решения - минимальное количество элементов, которые обеспечивают простоту и малую стоимость реализации. Однако недостатки также присутствуют: нет защиты от КЗ (короткого замыкания), при большой емкостной нагрузке запуск преобразователя может быть нестабильным.
Одноваттный преобразователь обычной схемы способен работать с емкостной нагрузкой не более 300 мкФ. Уменьшение пульсаций требует использования конденсаторов с более высокой емкостью, однако они могут не дать запуститься генерации, а то и вовсе приведут к выходу преобразователя из строя. Задачи по защите от КЗ и работе с большой емкостной нагрузкой в такой схеме становятся взаимоисключающими.
Работа с минимальной нагрузкой в такой схеме ограничена условием не менее 20% от номинального значения нагрузки. При нарушении этого условия значения выходного напряжения преобразователя перестанут соответствовать номинальным, более того, могут возникнуть колебания. Наиболее высокий КПД для такой схемы достигается при работе на нагрузке 100%. Холостой ход и небольшая нагрузка существенно уменьшают КПД, притом потребление тока в этом случае может быть 15…30 мА. Подобные недостатки схемы Ройера недопустимы при использовании в устройствах с автономным питанием. Кроме того, на источник питания накладывается и требование по обеспечению начального импульса тока, так как в момент запуска преобразователя такой схемы его значение выше номинального.
Компания Mornsun, которая является известным производителем источников питания, предлагает компоненты нового поколения R3 - модули DC-DC преобразователей. В них устранены рассмотренные выше недостатки и значительно улучшены другие параметры, а себестоимость стала еще ниже.
Особенности DC-DC преобразователей R3 производства Mornsun
Продукция компании Mornsun постоянно совершенствуется: технические характеристики становятся лучше, добавляется функционал, а также снижается стоимость самого производства. Чтобы отличать более ранние разработки от предыдущих, номер поколения преобразователей DC-DC, начиная со второго, указывается в конце маркировки при помощи символа «R» и следующей за ним цифры: B0505LS-1WR2 – второе поколение, B0505LS-1WR3 - третье поколение и так далее. Каждое новое поколение совершенствуется с учетом возможности замены компонентов старого поколения без разработки всего проекта заново: габаритные размеры и посадочное место идентичны. В качестве контроллера третьего поколения DC-DC преобразователей Mornsun используется микросхема SCM1201A (рис. 3), которая содержит отдельный генератор, управление выходным каскадом на MOSFET, защиту от КЗ и перегрева, дополнительный функционал в виде мягкого запуска.
Микросхема SCM1201x обеспечивает быстрый запуск преобразователя и способна работать в диапазоне входного напряжения 4…10 В DC при напряжении на стоках VD1 и VD2 транзисторов напряжения до 27 В (указаны максимальные значения для SCM1201A; для SCM1201B максимальные значения на 1 В меньше). Корпус SOT23-6 микросхемы занимает меньше места, чем вариант с использованием дискретных компонентов, так как около 40% компонентов обычного преобразователя заменены одним чипом. Монтаж стал проще, количество точек пайки уменьшилось, что снизило себестоимость производства и одновременно увеличило MBTF (количество часов наработки на отказ). Достигнутое значение брака при производстве – порядка 10 единиц на миллион. В итоге DC-DC преобразователь, построенный на данной микросхеме, обладает современным функционалом и параметрами.
Мягкий (плавный) старт
Существуют устройства, где используются источники питания с ограничениями по максимальному току. Как уже говорилось выше, обычные преобразователи на дискретных элементах могут при включении вызвать на входе импульс тока, что предъявляет избыточные требования к основному источнику питания. Режим запуска в преобразователях R3 позволяет избежать появления подобного импульса.
Защита от КЗ
При срабатывании защиты выхода от КЗ модули R3 способны без вреда долгое время оставаться включенными: ток в этом случае имеет среднее значение 5 мА и отсутствует температурная зависимость. Защита самовосстанавливающаяся и имеет три этапа:
- Режим СС (Constant Current, режим постоянного значения тока), который ограничивает ток выхода на определенном уровне;
- Таймер;
- Автозапуск
Емкостная нагрузка
В обычных DC-DC преобразователях, построенных по схеме Ройера или подобных ей, большая емкость на выходе может оказывать такое же влияние, как и перегрузка по току, вызывая срабатывание защиты или отказ преобразователя. В то же время это вызывает импульс тока потребления. Все эти моменты взаимосвязаны, но благодаря продуманному алгоритму работы DC-DC преобразователи R3 способны в момент запуска использовать режим ограничения тока CC, что обеспечивает заряд достаточно большой емкости - 2400 мкФ. С таким конденсатором способен работать модуль B0505S-1WR3, имеющий мощность 1 Вт. Эта характеристика на порядок выше, чем у обычных преобразователей.
Защита от перегрева
Когда температура DC-DC преобразователя превышает максимально допустимое значение, защита от перегрева переводит контроллер модулей R3 в спящий режим до тех пор, пока температура не восстановится в рабочем диапазоне, составляющем -40…125 °С. Тем самым обеспечивается надежность и безопасность работы как в жестких температурных условиях, так и в случаях большой токовой нагрузки, когда нагрев возникает из-за рассеивания мощности, выделяемой самим контроллером.
Защита от КЗ, работа с большой емкостной нагрузкой и тепловая защита – все эти функции влияют друг на друга. Благодаря контроллеру третьего поколения DC-DC преобразователей их взаимосвязь учитывается и контролируется. Подобное решение на основе дискретных компонентов обладало бы значительными размерами и меньшей стабильностью параметров.
Малая нагрузка, холостой ход и КПД
В момент переключения генератора в трансформаторе, выпрямительных диодах и транзисторных ключах возникают потери, величина которых зависит от нагрузки. Схема управления в новом поколении преобразователей оптимизирована для работы практически во всем диапазоне выходной мощности, обеспечивает стабильность выхода при нагрузке 10…100% от номинальной. КПД в случае малой нагрузки достигает эффективности 20% по отношению к преобразователям обычной схемотехники. На рис. 4 изображены графики зависимости КПД от тока нагрузки для двух однотипных преобразователей разных поколений мощностью 1 Вт при входном напряжении 5 В DC.
Повышенный КПД изменяет температурный профиль работы преобразователей нового поколения R3 в область более низкой температуры, что положительно влияет на уменьшение затрат на охлаждение устройства. Сравнение температур различных преобразователей приведено в таблице 1.
Таблица 1. Температура различных преобразователей при полной и малой нагрузках, °С
Параметр R3 R2 Конкурент 1 Конкурент 2 Полная нагрузка 42.7 50.7 52 49.6 Малая нагрузка 31.2 37 36.7 35
Потребление тока на холостом ходу у модулей третьего поколения не превышает 5 мА. Это позволяет значительно увеличить время работы при использовании автономных источников питания и выгодно отличает такие преобразователи от подобных компонентов предыдущего поколения и производства других компаний (рис. 5).
Быстрый запуск
Питание, которое было подано не вовремя, может вызвать нарушения в работе устройства, начиная с потери актуальности результатов и вплоть до выхода из строя или перехода в режим предотвращения такой кризисной ситуации. Если задержка включения слишком большая, разработчику придется ее учитывать и предпринимать дополнительные меры, либо вообще пересматривать концепт устройства. Преобразование по классической схеме происходит из-за самовозбуждения генератора, который является одновременно и силовым элементом. В этом случае стабильность и время запуска зависят от множества факторов и сложно поддаются прогнозированию. Задержка запуска в преобразователе такой схемы может составлять сотни миллисекунд. На рис. 6 а показан анализ запуска такого преобразователя, а на рис. 6 б – запуск преобразователя R3. Запуск преобразователя нового поколения происходит без всплесков, плавно и более чем в 20 раз быстрее. Задержка включения находится на уровне систем переключения резервного питания, что дополнительно расширяет возможности применения преобразователей R3.
Компоненты Mornsun для разработки модуля DC-DC преобразователя
В тех случаях, когда ни один из готовых модулей преобразователей не отвечает требованиям разработчика, и возникает необходимость построения специального варианта, компания Mornsun предлагает компоненты для решения подобной задачи: вышеописанный контроллер DC-DC преобразователя SCM1201х (и подобные) и намоточные изделия, в список которых входят трансформаторы для поверхностного монтажа TSHT5.8-01T и TB0505-1T. Размер по высоте трансформатора TTB0505-1T всего 3.6 мм, а изоляция составляет более 1600 В (3000 В для TSHT5.8-01T). Применение контроллера SCM1201х, трансформатора и некоторого количества дополнительных дискретных компонент позволяет разработчику построить уникальный, компактный и очень тонкий преобразователь мощностью 1 Вт. Благодаря такому решению можно эффективно использовать доступный объем корпуса, что особенно актуально для тонких устройств, и сохранить все преимущества DC-DC преобразователей нового поколения, обеспечив приемлемую стоимость производства.
Модельный ряд преобразователей поколения R3 достаточно быстро расширяется, охватывая все больше позиций и предоставляя возможность разработчикам использовать их в новых проектах и модифицировать уже существующие разработки. Улучшения основных характеристик, расширения функциональности и уменьшения стоимости изделия легко достичь с помощью DC-DC преобразователей третьего поколения и их составляющих производства компании Mornsun.
Производители: MORNSUN
Разделы: DC-DC преобразователи, Трансформаторы
