Hyödynnä TDK-Lambdan PFH500-tehomoduuleita suunnitellessasi tehonsyöttöä ankariin olosuhteisiin

Siirtyminen teollisen esineiden internetin (IIoT) sekä 5G:n aikakauteen on johtanut siihen, että elektronisia järjestelmiä otetaan käyttöön yhä moninaisemmissa ja vaativammissa sovelluksissa. Järjestelmien suunnittelijoiden osalta painopiste on teholähteissä, jotka täyttävät jatkuvasti lisääntyvät luotettavuusvaatimukset. Näiden vaatimusten kannalta tärkeitä ominaisuuksia ovat mm. fyysinen kestävyys ja sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) suodattaminen sekä sisäänrakennettu äly ja liitettävyys, joita tarvitaan toimintaan uudessa IIoT-ympäristössä.

Tässä ympäristössä suunnittelijat voivat vähentää tehonsyötön ja järjestelmän käyttökatkojen vaikutuksia itsediagnostiikan kautta ja mahdollistaa samalla etäpäivitykset, säädöt sekä suorituskyvyn seurannan toiminnan aikana.

Tässä artikkelissa esitellään ratkaisu näihin vaatimuksiin TDK-Lambdan PFH500-teholähdemoduulien kautta. Siinä kerrotaan, miten teholähteen rakenne sekä PMBus-väylän lisääminen voivat parantaa teholähteen ja järjestelmän kestokykyä ja pitää suorituskykyä yllä myös mitä ankarimmissa käyttöympäristöissä.

Miksi käyttää PMBus-väylää?

Digitaaliseen tehonhallintaan tarkoitettu avoin PMBus-kommunikointiprotokolla on hyvin monipuolinen. Protokolla parantaa teholähteiden käytettävyyttä, suorituskykyä ja luotettavuutta. Se mahdollistaa esimerkiksi teholähteen eri parametrien mittaamisen ja seurannan ilman erillistä instrumentaatiota (kuva 1): näitä ovat muun muassa kunkin lähdön jännite ja virta, kunkin lähtöasteen lämpötila, jokaisen lähtöasteen power good -signaali sekä kunkin moduulin lähdön käyttöönoton tila.

Kuva 1: PMBus-kommunikointifunktiot, joita käytetään parametrien seurantaan/muuttamiseen. (Kuvan lähde: TDK-Lambda)

Käyttäjät voivat myös ennakoida vikaantumista käyttämällä jatkuvaa PMBus-mittausta, mikä on tärkeää 5G-telekommunikaation, älytehtaiden, konesalien, kaukaisten ja vaikeasti saavutettavissa olevien kohteiden kannalta.

TDK-Lambda PFH500 -teholähteen ominaisuudet

PFH500F-sarja vie 4 × 2,4 tuumaa tilaa, ja sen koko on ¾ tiilipakkausta (kuva 2). Se tuottaa 500 watin (W) tehon reguloidulla 28 voltin jännitteellä, joka on säädettävissä 22,4 – 33,6 volttiin (±20 %).

Kuva 2: PFH500F-sarjan AC-DC-tehomuuntimet ovat ¾ tiilipakkauksen kokoisia ja voivat tarjota 500 watin tehon reguloidulla 28 voltin lähtöjännitteellä. (Kuvan lähde: TDK-Lambda)

Laitteessa on vain yksi monikerroksinen piirilevy, eikä se tarvitse eristettyä metallialustaa. Tämä vähentää yhteissignaalikohinaa ja poistaa yhteen kytketyt nastat, mikä lisää luotettavuutta. Tehoarkkitehtuurina käytetään siltaamatonta tehokertoimen korjaustekniikkaa (PFC) ja synkronista tasasuuntausta. Laitteissa käytetään galliumnitridistä (GaN) valmistettuja tehopuolijohteita, jotka alentavat häviöitä ja nostavat hyötysuhteen jopa 90–92 prosenttiin, tehotiheyden ollessa 100 W/in³. Teholähde soveltuu käytettäväksi kaikkialla maailmassa, sillä se toimii 85–265 V_AC:n jännitteellä ja 47–63 hertsin (Hz) taajuudella.

Peruskytkentä

Kuvassa 3 esitetään perusmalli kytkentäkaaviosta sekä ulkoiset komponentit, kuten ulkoisen tulon EMI-suodatin.

Kuva 3: PFH500F-tehomoduulin perusliitäntöihin sisältyy vasemmalla puolella oleva ulkoinen EMI-suodatin. (Kuvan lähde: TDK-Lambda)

Tämä teholähde on hyvä valinta ankariin ympäristöihin sekä perinteisissä tehtaissa että älytehtaissa, kuten kuvassa 4 esitetään.

Kuva 4: PFH500F-tehomoduuli täyttää ankaria ympäristöjä koskevat tiukat testausvaatimukset. (Kuvan lähde: TDK-Lambda)

Testituloksista näkyy, että laite läpäisee vaativat testit erityisesti koskien staattisia sähköpurkauksia (ESD), säteiltyä radiotaajuuksista häiriötä (RFI) sekä sähkömagneettisten häiriöiden sietokykyä.

Rinnakkainen painuman jakomahdollisuus

Teholähteen jännitehäviö – tai painuma – on suhteessa lähteestä otettavaan kuormaan. Kun kaksi teholähdettä kytketään yhteen ja tarkoitus on tuottaa enemmän tehoa tai jakaa kuormaa, on syytä käyttää TDK-Lambda PFH500:n kaltaista rinnakkaiskytkentää tukevaa mallia. Ylimääräinen jännitehäviö on suhteessa otettavaan kuormaan, joten kun kaksi tai useampia teholähteitä kytketään rinnakkain, lähtökuorma jakautuu niiden kesken. Jos jokin rinnakkain kytketyistä teholähteistä yrittää syöttää enemmän virtaa, sen lähtö painuu hieman, jolloin muut teholähteet tasapainottavat tilanteen (kuva 5).

Kuva 5: PFH500:n Droop-tilan virranjakovaihtoehdon avulla se voi toimia rinnakkain muiden teholähteiden kanssa ja jakaa kuormaa. (Kuvan lähde: TDK-Lambda)

Suorituskyvyn optimoimiseksi kaikkien teholähteiden lähdöt tulisi asettaa samaan jännitteeseen. PFH500:n (28 voltin version) kuorman regulointi (ilman painumaa) on 28 mV tai 0,1 %, kun V_IN = 115/230 V_AC.

Pohjalevyn jäähdytys johtumisen avulla

Johtumisjäähdytykseksi sanotaan tilannetta, jossa lämpö siirretään kuumalta alueelta viileämmälle suoran kosketuksen kautta. Esimerkiksi PFH500:ssä on tasainen pinta (pohjalevy), joka on suunniteltu kiinnitettäväksi suoraan ulkoiseen lämpönieluun tai jäähdytyslevyyn, joka johtaa lämmön pois tehopuolijohteelta suoran kosketuksen kautta ja näin jäähdyttää sitä (kuva 6).

Kuva 6: Tehomoduuli, kuten PFH500, jäähdytetään johtumisen ja lämpönielun avulla (kuvan lähde: TDK-Lambda)

Lisätietoja jäähdytyksestä on artikkelissa ”Tekniikoita teholähteiden ja muiden elektronisten laitteiden jäähdytykseen.”

Muita etuja suunnittelijoille

PFH500 tarjoaa suunnittelijoille myös muita etuja, kuten seuraavat:

• Pinnoitettu metallikotelo ja valukotelointi auttavat alentamaan säteilyä ja parantavat iskujen ja tärinän kestokykyä.
• Sisäinen digitaalinen eristys (optoeristys ei ole yhtä luotettava)
• Ylijännitesuojauksella varustettu tulon EMI-suodatin ehkäisee tehonsyötön virheitä/häiriöitä.
• Sisäinen rele ja virtapiiri suojaavat teholähdettä kytkentävirran synnyttämiltä vaurioilta.
• Etätunnistuskyky mahdollistaa jännitteen tarkan ohjauksen, vaikka kuorma olisi kaapelin päässä.
• Sisäinen ylikuumenemis- ja ylivirtasuojaus varmistaa luotettavuuden.
• VBUS-seurantakyky yli- ja alijännitteen varalta varmistaa keskeytyksettömän toiminnan.
• Piirin ohjelmointi esimerkiksi älyjärjestelmän kautta
• Turvallisuusstandardien mukaiset hyväksynnät lisäävät luotettavuutta.

Alkuun arviointikorteilla

Arviointi- ja testausalustoista on hyötyä, sillä ne nopeuttavat markkinoille tuontia. Näiden TDK-Lambdan arviointialustojen mukana on mahdollista saada Gerber-tiedostot, joilla voidaan optimoida piirilevyn rakennetta järjestelmää varten. Tiedostot voidaan myös liittää järjestelmäarkkitehtuurin pääsuunnitelman osaksi.

Tarjolla on kolme PFH05W-sarjan arviointialustaa:

• PFH05W28-1D0-EVK-S1-arviointisarja, jossa käytetään PFH500F-28-1D0-R-moduulia
• PFH05W-001-EVK-S0-arviointisarja ilman tehomoduulia
• PFH05W28-100-EVK-S1-arviointisarja, jossa käytetään PFH500F-28-100-R-moduulia

Kukin näistä helpottaa tehomoduulin arviointia ja nopeuttaa markkinoille tuontia, sillä ne kaikki sisältävät testaukseen tarvittavat ulkoiset komponentit. Huomautus: Kuorman kanssa käytettäessä saatetaan vaatia ulkoinen ilmavirtaus jäähdyttämään moduulin lämpönielua. TDK-Lambda HS00110 -lämpönielua on saatavana tuotantoon soveltuvina määrinä (kuva 7).

Kuva 7: PFH05W-PFH500F-arviointialustat mahdollistavat nopeamman markkinoille tuonnin ja osoittavat laitteen suorituskyvyn suunnittelijan käyttötarkoituksessa. Tarvittaessa voidaan lisätä ulkoinen jäähdytys, kuten lämpönielu HS00110 (kuvassa). (Kuvan lähde: TDK-Lambda)

Nämä kolme arviointialustaa tarvitsevat yksivaiheisen, säädettävän AC-jännitelähteen (määritä lähteen oikea koko tutustumalla kunkin kortin teknisiin tietoihin), 0–500 voltin alueella toimivan DC-yleismittarin, sopivan lähtökuorman (katso koko teknisistä tiedoista) sekä tuulettimen, joka jäähdyttää piirilevyllä olevaa lämpönielua.

Huomautus käyttäjille: Varmista, ettei missään tulo- ja lähtökaapelissa ole jännitettä, ennen kuin teet sähköliitäntöjä arviointialustaan.

Vaihtoehtoiset sovellukset

Tätä vaihtovirran 28 voltiksi muuntavien teholähteiden sarjaa voidaan käyttää myös muissa vaativissa ympäristöissä, kuten valmisvirtalähteissä sotilasajoneuvojen alustoille tai VMEbus-räkkijärjestelmissä (Versa Module Europa tai Versa Module Eurocard bus). PFH500F-sarja sopii hyvin myös ioniteholähteisiin, joita käytetään muun muassa elektronimikroskoopeissa.

Yhteenveto

PFH500F-28-sarjan teholähteet ovat erinomainen valinta vaativiin ympäristöihin, koska ne kestävät hyvin EMI-, RFI- ja muita häiriöitä sekä iskuja, tärinää ja äärimmäisiä lämpötiloja, joissa normaalia teholähdettä ei voida käyttää. Korkean tehotiheyden, modulaarisen rakenteen ja pienen pinta-alan ansiosta niillä voidaan toteuttaa kompakti teholähde suurempaankin sovellukseen.

PMBus mahdollistaa itsediagnostiikan, etäseurannan sekä tiedonsiirron, joiden avulla teholähde voidaan integroida IIoT-pohjaiseen ennakkoanalyysi- ja ennakkohuoltosovellukseen.

Lisäresurssit

1. ”Tekniikoita teholähteiden ja muiden elektronisten laitteiden jäähdytykseen”