Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19870910Elc032.shtml

Размеры источников питания военного назначения уменьшены на 90%

Джерри Лаймен (Jerry Lyman)
Редакция Electronics

Jerry Lyman. Military: TI cuts the size of power supplies by 90%, pp.108,109.

Описаны исключительно малогабаритные 150 кГц модульные источники питания (ИП) фирмы Tl, удовлетворяющие требованиям военных стандартов. Размеры ИП идентичны размерам логических модулей. При установке в бортовую авиационную стойку 3/4ATR 200-Вт, 5-В ИП типа HVS-200-5 имеет удельную объемную мощность 610 и 915 Вт/дм3 при воздушном и жидкостном охлаждении соответственно. В ИП применены толстопленочные ГИС, технология монтажа на поверхность и сильно уплощенные магнитные компоненты.

Применив новые принципы схемного построения и компоновки источников питания (ИП) для военной техники, инженеры фирмы Texas Instruments Inc. (Даллас) разработали семейство модульных ИП, габаритные размеры которых на 90% меньше, чем у аналогичных ИП на дискретных компонентах, добившись, таким образом, 10-кратного увеличения удельной объемной мощности.

Несмотря на то что ИП являются стандартным элементом любой военной электронной системы, в настоящее время их схема и конструкция не соответствуют новейшим достижениям в методах монтажа и техники конструирования с высокой плотностью компоновки, использующихся в других устройствах этих систем. В результате на ИП довольно часто приходится до половины объема современных военных электронных систем. Сейчас, в связи с освоением технологии монтажа на поверхность толстопленочных гибридных схем (толстопленочных ГИС) и ИС с высокой плотностью компоновки, разработанных в рамках программы министерства обороны по сверхскоростным ИС, габариты новейших электронных блоков становятся еще меньше, что делает особенно настоятельной необходимость в уменьшении размеров и массы ИП без снижения их мощности, КПД и надежности.

Разработчики фирмы TI добились этой цели, взяв за основу схему экономического импульсного стабилизатора и выполнив ее на сильно уплощенных магнитных компонентах, с использованием технологии толстопленочных ГИС и технологии монтажа на поверхность. Габариты новых модульных ИП составляют 165*147*12,7 мм, а масса всего лишь 590г. Типичный блок, HVS-200-5 (показан на рис.1), дает на выходе 5 В/200 Вт при КПД до 80%, питаясь напряжением 270 В постоянного тока. Таким образом, достигнуто 10-кратное уменьшение объема по сравнению с серийными ИП, обладающими эквивалентными характеристиками.

Увеличение удельной объемной мощности. Малые габариты этих ИП для военных систем достигнуты фирмой TI благодаря использованию небольших ГИС, смонтиров
Рис.1. Увеличение удельной объемной мощности. Малые габариты этих ИП для военных систем достигнуты фирмой TI благодаря использованию небольших ГИС, смонтированных методом монтажа на поверхность, и миниатюризованных магнитных компонентов.

Выбор конструкции модулей обусловлен желанием упростить процесс извлечения и замены блоков питания и тем самым снизить затраты на эксплуатацию системы и уменьшить время простоя. Кроме того, в целях увеличения выходного тока или обеспечения резервирования можно включать параллельно пять независимых модулей.

Главная особенность новой модульной конструкции состоит в том, что ИП имеют такие же габариты и форму, что и другие заменяемые модули системы. Это позволяет применять одинаковые крепежные и теплоотводящие приспособления и дает дополнительный выигрыш в повышении надежности и упрощении обслуживания.

В схеме ИП используется работающий с постоянной частотой преобразователь со стабилизацией выходного напряжения на основе ШИМ-модуляции. Преобразователь имеет защиту от внутренних перегрузок, чрезмерных повышения и понижения напряжения, обрыва и опрокидывания, а также от перегрузки по выходному току.

Одна из первых моделей новых модульных ИП фирмы TI, HVS-200-5, в настоящее время находится в стадии изготовления опытной партии и проходит проверочные испытания. ИП этой модели преобразует напряжения постоянного тока 270 В в стабилизированное выходное напряжение 5 В, и его можно включить параллельно (по выходу) с другими аналогичными ИП для увеличения выходного тока. При этом они запараллеливаются не по схеме ведущий—ведомый, а так, что каждый ИП работает независимо от других — особенность, улучшающая характеристики при работе в режиме резервирования.

Данный ИП можно синхронизировать синхросигналом системы, причем в нем есть встроенная схема самоконтроля, позволяющая определять неисправные состояния, в том числе перегрузки по току и напряжению. Сигнал, вырабатываемый этой схемой при чрезмерном нагреве изделия, можно подать непосредственно на вход схемы автоматического отключения при перегреве. Падение выходного напряжения на внешних проводниках можно скомпенсировать, подключив провода внешней обратной связи.

Модульный ИП NVS-200-5 соответствует техническим требованиям фирмы TI на стандартные модули с высокой плотностью компоновки, имеющие габаритные размеры 167*149*12,7 мм и предназначенные для установки в самолетную стойку 3/4ATR (Air Transport Rack) быстросменными модулями. Уменьшение до требуемых размеров этого 150-кГц импульсного ИП со всеми его управляющими и логическими схемами (рис.2) потребовало комбинированного применения уменьшенных конденсаторов, плоских магнитных компонентов и ГИС. Это оказалось возможным благодаря повышению рабочей частоты и применению толстопленочных ГИС с размещенными на них компонентами для поверхностного монтажа, как маломощными, так и столь мощными, как силовые ключи и выходные выпрямительные диоды. В противоположность этому в типичных серийных ИП, в которых только сейчас начинают внедряться толстопленочные схемы или методы монтажа на поверхность, ГИС используются только для маломощных частей схем.

Блок-схема бортового ИП. Принцип действия этих ИП основан на использовании ШИМ-модуляции. Модули питаются напряжением 270 В постоянного тока и имеют в
Рис.2. Блок-схема бортового ИП. Принцип действия этих ИП основан на использовании ШИМ-модуляции. Модули питаются напряжением 270 В постоянного тока и имеют встроенную схему самоконтроля, непрерывно следящую за электрическим режимом и температурой модуля.

В соответствии с требованиями к военной технике в изделии отсутствуют электролитические конденсаторы. Вместо них применены либо керамические, либо танталовые бескорпусные конденсаторы, соединенные друг с другом в плоские модули. Представители фирмы TI не сообщили, как им удалось создать исключительно плоские магнитные компоненты, сказав лишь, что на их конструирование и оптимизацию ушло много времени.

Кроме использования плоских магнитных компонентов решающее значение для получения заданных габаритов модуля имело обеспечение высокой плотности компоновки элементов. Модуль состоит из двух печатных плат, расположенных по обе стороны центральной металлической пластины (сердечника). На верхней плате расположены соединенные между собой толстопленочные ГИС на небольших керамических подложках, а также шесть низкопрофильных реактивных компонентов, проходящих через сердечник и нижнюю плату. Основания подложек четырех ГИС лежат на верхней поверхности металлической пластины благодаря сделанным под ними отверстиям в верхней плате. Это обеспечивает эффективную передачу тепла от них к торцевому разъему модуля. На верхней плате размещена силовая часть схемы, в которую входят такие мощные тепловыделяющие компоненты, как выпрямительные диоды, силовой ключ и ШИМ-модулятор.

На нижней плате размещены две соединенные между собой ГИС, содержащие схему управления, встроенную схему самоконтроля и схему вспомогательного ИП, а также большие реактивные компоненты. Основания этих ГИС прижаты к поверхности металлической пластины через вырезы в печатной плате.

Все полупроводниковые приборы, установленные на ГИС, размещены на безвыводных керамических носителях кристаллов, а все пассивные компоненты имеют бескорпусное исполнение для монтажа на поверхность. Все компоненты на всех ГИС паяются к медным толстопленочным проводникам методом оплавления припоя.

Фирма TI воспользовалась методом монтажа на поверхность, а не обычной термокомпрессионной сваркой бескорпусных компонентов, как правило используемой в ГИС для военной техники по двум причинам. Во-первых, благодаря размещению всех полупроводниковых приборов в безвыводных кристаллоносителях перед установкой приборов на подложку ГИС можно произвести их проверку и термоэлектротренировку, а также обеспечить равномерность механических напряжений в них, что позволяет увеличить процент выхода годных изделий и повысить надежность. Во-вторых, плату для монтажа на поверхность значительно легче модифицировать, чем плату с бескорпусными ИС, смонтированную термокомпрессионной сваркой. Это позволило фирме TI, вводя лишь небольшие изменения, создать целый ряд модульных ИП. Охлаждение модулей осуществляется путем кондуктивной передачи выделяемого тепла от металлической пластины-сердечника через торцевые разъемы к стойке, в которой для охлаждения теплоотводящей пластины может использоваться либо воздух, либо жидкость. Тепловые характеристики модуля таковы, что при температуре пластины-сердечника 70°С максимальные температуры переходов полупроводниковых приборов, входящих в ИП, не превышают 110°С. Модуль HVS-200-5 вырабатывает 200 Вт при воздушном охлаждении и потенциально может вырабатывать 300 Вт при жидкостном охлаждении, что соответствует удельной объемной мощности 610 и 915 Вт/дм3 соответственно. Удельная объемная мощность аналогичных серийных ИП равна примерно 180 Вт/дм3.

При разработке этих модульных ИП фирма TI руководствовалась полной программой обеспечения заданных технических характеристик изделия, включающей в себя расчет и анализ конструкции, квалификационные проверочные испытания, отбраковочные климатические испытания компонентов модуля, а также подготовку производства.

В квалификационные проверочные испытания входят технологическая тренировка модуля, климатические испытания и испытания на надежность. При проведении этих испытаний пользуются системой оповещения об отказах и системой проведения доработок. Компоненты отбраковываются и проходят технологическую тренировку так, чтобы соответствовать требованиям военных стандартов.

В типичном случае модуль будет питаться от напряжения трехфазной сети 115 В, 400 Гц, подаваемого на него через узел, состоящий из помехоподавляющего фильтра и выпрямителя, который вырабатывает постоянное напряжение 270 В, соответствующее стандарту MIL-STD-704D. После подачи этого напряжения на модульный ИП оно фильтруется и поступает на МОП-ключ, управляемый сигналом с ШИМ-модуляцией. Выходной сигнал этого ключа проходит через развязывающий трансформатор, выпрямляется и фильтруется. С делителя обратной связи сигнал об уровне выходного напряжения подается на схему управления, которая регулирует время замыкания МОП-ключа с целью стабилизации выходного напряжения; тот же самый сигнал подается во встроенную схему самоконтроля, вырабатывающую на своих выходах логические сигналы, указывающие на состояние нескольких параметров модуля.

Описанные модульные ИП имеют полностью независимый вспомогательный источник питания, чьим единственным назначением является обеспечение питания встроенной схемы самоконтроля. Это делает схему самоконтроля независимой от основного ИП, позволяя производить диагностический анализ в случае отказа основного ИП.

Встроенная схема самоконтроля непрерывно следит за значениями тока, напряжения и температуры металлической пластины-сердечника. Данная схема может быть включена либо так, чтобы вырабатывать дифференциальные выходные сигналы с целью повышения помехоустойчивости, либо по схеме с разомкнутыми коллекторами для обеспечения сопряжения с цифровыми устройствами.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 60, No.10 (768), 1987г - пер. с англ. М.: Мир, 1987, стр.42

Electronics Vol.60 No.10 May 14, 1987 A McGraw-Hill Publication

Jerry Lyman. Military: TI cuts the size of power supplies by 90%, pp.108,109.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Источники питания





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19870910Elc032.shtml