Современные распределительные системы обычно требуют сложных комбинаций изолированных и неизолированных преобразователей мощности переменного/постоянного тока и постоянного/постоянного тока. Изолирующие преобразователи в основном используются для защиты систем и пользователей в случае одной или нескольких неисправностей; Также необходимо подавать питание на изолированные подфункции для поддержания целостности сигнала.
В принципе, с помощью усовершенствованных микросхем можно легко разработать преобразователи малой и средней мощности мощностью около 1000 Вт, а за счет разных архитектур можно достичь различных компромиссов в производительности. Однако на самом деле разработка и проверка преобразователей далеко не просты. Вы должны соответствовать как минимум одному базовому набору требований к функциональным характеристикам, включая номинальное выходное напряжение и ток, эффективность, переходные характеристики, физические размеры и защиту от неисправностей цепей, нагрузок и источников питания.
Задачи дизайна не ограничиваются базовыми знаниями. В настоящее время необходимо соблюдать ряд обязательных нормативных требований, охватывающих показатели безопасности, эффективность при различных уровнях нагрузки, характеристики останова, тепловые характеристики, излучение электромагнитных помех (EMI) и устойчивость. Эти атрибуты должны быть подтверждены сертифицированной испытательной лабораторией, что значительно увеличит время проектирования. Простой план независимых исследований и разработок может быстро привести к чрезвычайно высоким рискам, и вскоре вы обнаружите, что, когда дело доходит до выбора между независимыми исследованиями и разработками или аутсорсингом, вы быстро склоняетесь к последнему.
Если у вас все еще есть сомнения, вы можете подумать, что преобразователь также должен иметь функцию гальванической развязки. Хотя это общее требование почти для всех преобразователей переменного/постоянного тока, некоторые преобразователи постоянного/постоянного тока также требуют электрической изоляции. Это требование вводит новые правила, обязательные стандарты безопасности и сертификации, что делает решения самостоятельной разработки и аутсорсинга более склонными к покупке, независимо от характеристик источника питания.
Хорошей новостью является то, что изолированные и неизолированные преобразователи мощности, монтируемые на печатной плате, могут выбирать из нескольких номинальных напряжений и токов. Эти продукты значительно упрощают проектирование и развертывание продуктов в таких областях применения, как оборона, связь, тестирование и измерения (изолированные) и мобильные роботы (неизолированные), и их можно комбинировать для достижения функций распределения энергии.
Преобразователь этого типа реализует технологию Plug and Play, может быть подключен к основной печатной плате (ПК), а конкретное место оптимизировано для распределительной шины. Кроме того, этот тип преобразователя не требует независимой опоры или кронштейна. Проще говоря, этот тип продукта может служить закрытым, полностью готовым к использованию решением, которое напрямую обеспечивает функциональность питания.
Базовые знания электроизоляции.
Электрическая изоляция — это электрический барьер, используемый для предотвращения образования проводящего («омического») пути между двумя концами пути сигнала или питания. Однако этот барьер все еще должен обеспечивать возможность передачи энергии и электричества другими способами передачи. Сигнал, источник питания или и то, и другое необходимо изолировать, но это зависит от конструкции. Используемая технология изоляции зависит от конкретных характеристик изолированного тока.
Существует множество причин, по которым необходима электрическая изоляция. Что касается сигналов, электрическая изоляция может улучшить целостность датчиков, устранить петли заземления или защитить пользователей и цепи в случае неисправности, предотвращая попадание тока в путь сигнала.
Что касается электропитания, основной целью является обеспечение безопасности пользователя и предотвращение поражения электрическим током, вызванного случайным контактом с проводами переменного тока или источниками питания постоянного тока высокого напряжения. Электрическая изоляция также соответствует требованию к «плавающим» цепям, используемым для несиловых сигналов, то есть не подключенным к земле цепи.
Вообще говоря, электрическая изоляция — это метод определения направления тока, основанный на законе тока Кирхгофа (KCL). Любой ток должен иметь обратный путь к источнику, и функция электрической изоляции состоит в том, чтобы отрезать этот путь. В случае возможного поражения электрическим током изолирующий трансформатор в источнике питания (рис. 1, справа) полностью отсекает путь тока повреждения через пользователя и возвращается на землю (рис. 1, слева).
Рис. 1. Во избежание поражения электрическим током изолирующий трансформатор (справа) в источнике питания отсекает путь тока повреждения, который проходит через пользователя и возвращается на землю (слева). (Источник изображения: Lumen Learning)
В обычном сценарии поражения электрическим током, когда изоляционный слой изнашивается, находящийся под напряжением/нагретый шнур питания непосредственно вступает в контакт с металлическим корпусом оборудования. Даже если устройство все еще может работать нормально, если соединение заземления отсоединено (что является распространенной ситуацией), ток повреждения будет течь через пользователя на землю вместо безопасного прохождения через заземляющий провод, и в это время пользователь может получить удар электрическим током.
Чтобы контролировать этот риск, функция изоляции источника питания отсекает путь тока между исходным источником напряжения и оборудованием. Таким образом, можно предотвратить образование замыкания между ними и даже в случае неисправности линии исключить риск поражения электрическим током.
Обратите внимание, что опасное напряжение включает в себя линейное напряжение переменного тока и эквивалентное напряжение постоянного тока, например напряжение многоядерного аккумуляторного блока. Большинство нормативных стандартов определяют опасное напряжение как напряжение выше 60 В, в зависимости от фактической ситуации и типа напряжения.
Силовая изоляция почти всегда достигается за счет магнитной связи трансформаторов. Магнитная муфта имеет превосходный электрический КПД, высокую техническую практичность, гибкое применение, высокую надежность, простоту настройки и может одновременно соответствовать нормативным требованиям и требованиям цепей.
Причины выбора многочисленных качественных решений
Из-за использования нескольких шин питания в современных системах существует множество архитектурных вариантов планирования распределения. Однако, когда некоторые части схемы должны быть изолированы, а другие части не требуют или не запрещают изоляцию, выбор подходящего преобразователя мощности становится чрезвычайно сложной задачей.
В некоторых случаях высоковольтные силовые шины переменного/постоянного или постоянного/постоянного тока не требуют изоляции, но изоляцию необходимо обеспечить дальше в распределительной линии. Решения, которые должны принять проектировщики, включают: использовать ли один изолированный источник питания большой мощности или несколько изолированных источников питания малой мощности; И следует ли использовать изолированные источники питания только в необходимых местах и неизолированные источники питания в других местах (рис. 2).
Рисунок 2. Полная архитектура распределения на уровне системы обычно требует комбинации изолированных и неизолированных преобразователей мощности переменного/постоянного тока и постоянного/постоянного тока. (Источник изображения: TDK Lambda)
Для удовлетворения этих потребностей компания TDK Lambda предлагает широкий выбор встроенных повышающе-понижающих (понижающе-повышающих) изолированных и неизолированных преобразователей переменного/постоянного и постоянного/постоянного тока, обеспечивающих несколько вариантов входного/выходного номинального напряжения и номинального тока. В частности, он включает в себя:
Изолированный преобразователь переменного/постоянного тока: PFE500F-28/T — это преобразователь с одним выходом, 28 В/18 А (А), используемый для входного напряжения переменного тока (В переменного тока) от 85 до 265 В. В этом преобразователе используется полностью закрытый кирпичный модуль размером 122 × 70 × 12,7 мм с возможностью изоляции входа и выхода переменного тока 3000 В, подходящий для сред, где конвекция или принудительное воздушное охлаждение невозможны.
Неизолированный модуль переменного/постоянного тока: закрытый модуль PF1500B-360 также имеет размер полноразмерного блока и может преобразовывать входной переменный ток в регулируемый выходной ток 360 В постоянного тока. Он подходит для систем распределенного электроснабжения, оснащенных изолированными высоковольтными преобразователями постоянного тока или нагрузками, требующими высоковольтного источника питания. При входном напряжении от 170 до 265 В переменного тока его номинальная мощность составляет 1512 Вт; При входном напряжении от 85 до 265 В переменного тока номинальная мощность составляет 1008 Вт. Коэффициент мощности этого модуля составляет 0,98, КПД до 96,5%.
Изолированный преобразователь постоянного/постоянного тока: GQA2W024A050V-007-R Изолированный преобразователь постоянного/постоянного тока компактен, упакован в четверть кирпича и имеет превосходные характеристики. Он может выдавать мощность 120 Вт и имеет входное и выходное изоляционное напряжение до 3000 В постоянного тока. Диапазон рабочего входного напряжения этого преобразователя составляет от 9 В до 36 В, и он может выдавать ток 5 В при токе 24 А. Его механическая упаковка обеспечивает различные структурные конфигурации, такие как нижняя пластина, герметичная и герметизированная (см. Рисунок 3), которые могут охлаждаться за счет конвекции и проводимости через внешние охлаждающие пластины или радиаторы.
Рис. 3. Преобразователь GQA2W024A050V-007-R предлагает несколько вариантов конфигурации корпуса, предоставляя разработчикам высокую гибкость при проектировании общей конструкции корпуса и охлаждении преобразователя. (Источник изображения: TDK Lambda)
Неизолированный преобразователь постоянного тока в постоянный ток: I6A24014A033V-003-R Неизолированный преобразователь постоянного тока в точке нагрузки (PoL) идеально подходит для создания сильноточных выходных линий напряжения от источников питания 12 В постоянного тока или 24 В постоянного тока. Диапазон входного напряжения этого преобразователя составляет от 9 В до 40 В, выходной ток до 14 А и диапазон регулирования выходного напряжения от 3,3 В до 24 В. Он выполнен в компактном корпусе размером 1/16 кирпича.