Wyzwania dla zasilaczy przestrzenno-oszczędnych przeznaczonych dla środowisk wymagających

Niezawodne funkcjonowanie w ekstremalnych temperaturach otoczenia nie jest łatwym zadaniem dla zasilaczy AC/DC z korekcją współczynnika mocy, (PFC) stosowanych w wewnętrznym i zewnętrznym sprzęcie elektronicznym, w którym mały rozmiar jest obowiązkowy

Zwarte przetworniki DC/DC stanowią część składową milionów produktów i systemów elektronicznych. W celu przekształcenia źródła zasilania prądem przemiennym na napięcie prądu stałego, dzięki któremu funkcjonują przetworniki, duża większość tych urządzeń bazuje na skrzynce prądu przemiennego typu front-end. Dodatkowo przepisy prawne nakazują, aby skrzynki front-end zawierały współczynnik mocy i korekcję harmoniczną, (PFHC), w celu zmaksymalizowania energii dostępnej z sieci elektrycznej. Jeszcze dodać to tego potrzebę zminimalizowania rozmiaru oraz zdolność do działania w surowych warunkach temperaturowych otoczenia, a projektant napotyka nie lada problem, który wcale nie jest łatwy do rozwiązania.

Tradycyjne rozwiązania w energetyce rozproszonej

Tradycyjne projekty, które stosują architekturę energii rozproszonej, umieszczają przetworniki DC/DC na płytkach obwodu drukowanego (PC) bardzo blisko punktu obciążenia, w celu zmaksymalizowania prędkości i skuteczności systemu. Aby zasilić przetworniki DC/DC zasilacz AC/DC z PFHC montuje się z reguły gdzieś w obudowie systemu, na zewnątrz od głównej płytki obwodu drukowanego (rys. 1. poniżej). Technika ta sprawdza się w większości zastosowań. Jednak jeśli chodzi o sprzęt, który musi być zamontowany na zewnątrz i który musi zajmować jak najmniejszą możliwą pojemność, dostępne są już ulepszone produkty.

Udoskonalone metody dystrybucji energii elektrycznej

Typowe przetworniki DC/DC montowane na płytkach PC o średniej mocy (400–700 W) obudowywane są w rozmiarach „full brick” (np. 2,4 cala szer. x 4,6 cala dł. x 0,5 cala wys.). Kilku głównych producentów przetworników DC/DC dostrzega potrzebę zapewnienia wejścia AC PFHC front-end w formacie „Brick”, które można zamontować na płytce PC zaraz obok przetwornika (przetworników) DC/DC. Rozwiązanie to daje możliwość umieszczenia wszystkich komponentów mocy na tej samej płytce PC, redukując tym samym rozmiar finalnego produktu oraz eliminując kable łączeniowe mocy (rys. 2. poniżej).

Te kostki AC/DC PFHC typu front-end wymagają zewnętrznych komponentów (kondensatorów, oporników itp.), lecz przestrzeń potrzebna, aby pomieścić wszystkie te elementy, jest mała w porównaniu z eliminacją zewnętrznego „front-endu” ac zamkniętego w metalowej skrzynce. Te zewnętrzne komponenty mogą być wkładane przez robota w trakcie produkcji płytek PC. Dodatkową korzyścią wynikającą ze stosowania tych obudów kostkowych jest to, że mogą być one chłodzone bez użycia wentylatorów za pomocą radiatora ciepła lub metodą typu „cold plate” (np. montowanie kostki tak, aby stykała się ona z metalową obudową systemu).

Najnowsze rozwiązania „kostek” zasilających AC/DC

Producenci zasilaczy przygotowują coraz mniejsze urządzenia do zasilania energią. Kostka AC/PFHC, opisana powyżej, została ostatnio połączona z przetwornikiem DC/DC, w celu stworzenia finalnej wersji rozwiązania zasilania energią elektryczną, zintegrowanej kostki AC/PFHC/DC. Te urządzenia „2 w 1” akceptują szeroki zakres wejść AC od 85 do 265 V, korygują współczynnik mocy oraz dostarczają systemowi wyjście (wyjścia) DC. Wszystko to uzyskuje się w tych samych granicach rozmiarowych pojedynczej obudowy „full brick”, mierzącej jedynie 2,4 cala szer. x 4,6 cala dł. x 0,5 cala wys., zapewniając tym samym 50% oszczędności przestrzeni na płycie (rys. 3. poniżej).

Te zintegrowane kostki zasilające „2 w 1”, montowane na płytce PC są idealne dla architektury energii rozproszonej, w której wykorzystywane są przetworniki typu POL (punkt obciążenia). Ponieważ kostki zasilające „2 w 1” zapewniają konwersję prądu AC na DC (za pomocą PFHC) razem z izolacją oraz napięciem magistrali przejściowej, stosowanie niskokosztowych, nieizolowanych przetworników typu POL staje się całkiem praktyczne (rys. 4.).

Ostatnie postępy rozwiązań w dziedzinie komponentów oraz technologii projektowania układów (Power Design) umożliwiły powstanie kostek zasilających „2 w 1”, montowanych na płycie PC.

W celu zwiększenia gęstości mocy opracowano i zastosowano w cewkach indukcyjnych specjalne rdzenie z permaloju. Nowe podłoże oraz innowacyjne techniki uzwojenia transformatora umożliwiły kompresję rozmiaru komponentów oraz udoskonalone zarządzanie termiczne. No i oczywiście postępy w dziedzinie zintegrowanych hybrydowych układów scalonych w znacznym stopniu przyczyniły się do powstania produktów zasilania przyszłej generacji.

Zastosowania kostek zasilających „2 w 1”

Nowe kostki zasilające AC/DC „2 w 1” są idealnym rozwiązaniem dla zastosowań wewnętrznych i zewnętrznych, takich jak:

• zasilacze wykonane na indywidualne zamówienie łatwo przystosowują się do dostępnej powierzchni,
• główny punkt zasiłowy montowany na płytce PC dla przetworników DC/DC lub przetworników typu POL,
• duże urządzenia LED i wyświetlacze ciekło-krystaliczne,
• informacja o natężeniu ruchu, sprzęt kontrolny i sygnalizacyjny,
• urządzenia komunikacyjne,
• pico i wzmacniaki dla telefonii komórkowej,
• Wi-Fi, podstacje telecom,
• urządzenia miernictwa podwodnego,
• automatyczne urządzenia wskazujące drogę jazdy,
• urządzenia monitorujące pompy olejowe i przewody rurowe,
• systemy bezpieczeństwa.

Jednokostkowe zasilacze AC/DC

Kilku producentów opracowało lub opracowywuje serię zintegrowanych „jednokostkowych” zasilaczy AC/DC.

Oto niektóre z zalet tych urządzeń:

• niski profil, pojemność jednej kostki,
• zakres całkowitej mocy wyjściowej od 300 do 700 W,
• działanie z uniwersalnego wyjścia AC od 85 do 265 V, 47-63 Hz,
• integralne PFC wg EN61000-3-2,
• wysokie gęstości mocy i wysoka sprawność (aż do 90%),
• regulowane oraz izolowane wyjścia DC 12, 24 V lub 48 V o szerokim zakresie regulacji,
• eliminacja konieczność stosowania przetworników DC/DC magistrali pośredniej,
• szeroki zakres temperatury roboczej przy płycie podstawowej, z reguły od –40 do 100°C,
• zabezpieczenie nadnapięciowe, nadprądowe oraz przed przekroczeniem temperatury,
• zatwierdzenia bezpieczeństwa globalnego wg UL/CSA/EN60950-1.

Mel Berman,

artykuły techniczne, badania rynku.