Использование DC/DC-преобразователей VPT с пониженным энергопотреблением в дежурном режиме при работе на большую емкостную нагрузку

Взаимосвязь развития техники в целом и технологии производства отдельных компонентов прослеживается во всех отраслях. Появление новых мощных автомобильных двигателей, способных разогнать спорткар до 100 км/ч за 4 секунды, автоматически предъявило новые требования к тормозной системе – остановить этот спорткар за соответствующие метры. Так же и в современной электронике – новые электронные устройства предъявляют дополнительные требования к системе питания.

Введение

В статье описывается пример применения источников питания VPT для обеспечения работы самолетной высокочастотной аппаратуры.

В современных летательных аппаратах используется масса радиотехнической аппаратуры для систем связи, навигации, посадки, госопознавания, метеолокации, предотвращения столкновений самолетов…

По понятным причинам массу и объем указанной аппаратуры необходимо сокращать. При этом функционал должен возрастать, а для этого необходимо применять новые схемы построения бортовых систем.

При традиционной схеме построения используется один мощный передатчик и ряд коммутируемых антенн или антенная решетка.

Для повышения функциональных возможностей аппаратуры переходят к активным схемам – несколько выносных приемопередающих модулей рядом с антеннами или полноценная АФАР.

Кроме того, происходит постоянное комплексирование аппаратуры в направлении объединения нескольких систем в рамках одного функционального блока.

При этом, безусловно, экономится масса и габариты, но накладываются дополнительные требования на элементную базу.

В частности, становится необходимым применение современных высокочастотных транзисторов, в цепи питания которых устанавливаются накопительные конденсаторы с большой емкостью.

Отсюда следует необходимость в компактных, легких источниках питания, способных работать на большую емкостную нагрузку.

Новый подход к построению системы питания

Традиционное решение проблемы построения системы питания, способной работать на большую емкостную нагрузку, заключается в применении дополнительной схемы предварительной зарядки конденсаторов и подключения самого источника с некоторой задержкой после зарядки конденсаторов до нужного уровня. Применение подобного решения связано с определенными недостатками – дополнительные компоненты, снижение массогабаритных показателей, повышение затрат при производстве аппаратуры, снижение надежности аппаратуры (больше компонентов – ниже надежность) и т. д. и т. п. Притом что есть простое решение – применение DC/DC-преобразователя, способного работать на большую емкостную нагрузку. Для решения такой (вполне конкретной) технической задачи были рассмотрены DC/DC-преобразователи производства АЕ и VPT. В качестве емкостной нагрузки использовали конденсатор емкостью 2000 мкФ. Это значение значительно превышает максимальную емкость конденсатора, заявленную в Datasheet на продукцию компании VPT, поэтому производитель по просьбе автора статьи провел (бесплатно) дополнительные испытания с целью выяснения изменений в режиме работы и параметрах DC/DC-преобразователя.

Как показали тесты, изменения незначительно коснулись тех параметров, которые непосредственно связаны с временем накопления энергии конденсатором, например время выхода в рабочий режим. Остальные важнейшие характеристики, такие как стабильность параметров, управляемость и т. д., остались неизменными. Конвертер работал в двух режимах – при включении как источник тока, выдавая максимально возможный ток, а при достижении заряда конденсатора до заданного уровня переключался в режим стабилизации напряжения. Этими тестами производитель подтвердил возможность применения и DC/DC-преобразователей в этом режиме и с большой емкостной нагрузкой.

КПД источников в дежурном режиме

В передатчиках бортовой аппаратуры для преобразования напряжения первичной сети 27 В в необходимые напряжения питания различных цепей часто используются преобразователи МДМ производства ОАО «Александер Электрик – Дон» (РФ). К сожалению, они имеют два существенных недостатка, которые препятствуют их эффективному применению в устройствах с чередованием режимов «рабочий» – «дежурный» с практически нулевым потреблением в дежурном режиме.

Во-первых, изготовитель преобразователей АЕ рекомендует в дежурном режиме подключать балластную нагрузку, причем заранее ставит потребителя в известность о снижении КПД при 10%-й нагрузке практически в три раза (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость КПД модуля МДМ от коэффициента нагрузки

Во-вторых, эти преобразователи не работают на большую емкостную нагрузку, и между ними и нагрузкой приходится ставить управляемый регулятор в виде схемы ограничения тока.

Для значительного снижения потребления в дежурном режиме и, соответственно, потерь на тепловыделении были применены DC/DC-преобразователи VPT, которые, как оказалось, оптимально приспособлены для питания передатчиков, работающих в импульсном режиме. Такие передатчики всегда имеют для этого большой емкостной накопитель электроэнергии, а дежурный режим этих передатчиков составляет 75–85% времени (рис. 2), и следовательно, потребление энергии в дежурном режиме является важным показателем работы устройства.

Рис. 2. Зависимость потребляемой мощности от выходной мощности

На приведенных графиках (рис. 2) для МДМ указаны расчетные зависимости входной мощности от выходной, исходя из рис. 1, а для DV200 – измеренная экспериментальная зависимость.

Вычисляя средний КПД как отношение энергии, отданной потребителю, к энергии, потребленной самим преобразователем, получим, с учетом балластной нагрузки, что средний КПД DV200 ≈70–75%, а МДМ200 ≈15–20%. Столь катастрофическое падение КПД МДМ вызвано существенным его потреблением в дежурном режиме, продолжительность которого составляет примерно 80% общего времени.

Если провести сравнение по другим параметрам, то получим следующие данные:

*Работа возможна только при наличии схемы плавного пуска, ограничивающей ток нагрузки при включении изделия после перерыва, приводящего к полному разряду накопителя передатчика

Последовательное и параллельное

Для получения источника большой мощности производители предлагают параллельное подключение стандартных DC/DC. Подобную техническую возможность предлагают многие производители, в т. ч. компания VPT. Более того, для снижения помех все DC/DC-преобразователи могут работать синхронно, и ШИМ-контроллеры могут быть объединены в одну сеть. Тогда один из преобразователей становится Master, а остальные Server. Применение параллельного включения преобразователей позволяет получить практически любую заданную мощность.

Другое интересное включение DC/DC-преобразователей – последовательное – позволяет получить практически любое выходное напряжение. В качестве примера приведем описанное выше техническое решение системы питания передатчика с выходным напряжением 54 В.

Для получения блока питания мощностью 200 Вт были взяты 2 DC/DC-преобразователя производства VPT на 100 Вт с выходным напряжением 28 В, включенных последовательно (рис. 3).

Рис. 3. Схема последовательного включения модулей

Возможность подстройки выходного напряжения позволила получить заданное выходное напряжение с высокой точностью и стабильностью. Особенность этих преобразователей в том, что они прекрасно управляются и стабильно запускаются даже при критических входных условиях.

На рис. 4. видно, что один из преобразователей включается с незначительной задержкой, в момент включения ему не хватило энергии для запуска, поскольку всю энергию принял на себя первый модуль. При этом выходное напряжение обоих модулей нарастает стабильно и равномерно. Выход в рабочее состояние у них произошел одновременно, и задержка второго преобразователя не оказала влияния на время выхода системы питания в состояние готовности.

Рис. 4. Нарастание выходного напряжения модулей VPT после включения

Для сравнения аналогичную схему собрали с преобразователями другого производителя и провели аналогичные измерения режимов работы преобразователей.

Рис. 5. Нарастание выходного напряжения применяемых ранее модулей после включения

Как видно на рис. 5, включение преобразователей и выход в рабочий режим проходит не так гладко, как в случае с применением продукции VPT. Нарастание выходного напряжения происходит неравномерно, а включение второго происходит нестабильно.

Выводы:

• Существенно больший средний КПД у DV200 при работе в циклическом режиме позволяет примерно в 1,5–2 раза уменьшить среднее потребление, при этом ощутимо снижается перегрев передатчика и повышается его эксплуатационная надежность.
• Исключение схемы пуска, балластной нагрузки и упрощение «обрамления» позволяет уменьшить габариты системы ИВЭП примерно в два раза и перейти к распределенной системе электропитания при одновременном существенном снижении стоимости.
• Вариативность последовательного и параллельного включения DC/DC-преобразователей позволяет строить системы питания практически с любыми заданными характеристиками, при этом такая система будет отвечать самым современным требованиям и одновременно с этим обладать гибкостью и возможностью быстро и легко изменить выходные характеристики в зависимости от требований.