Разработка систем питания в стандарте VME на базе серийных модулей VPT

Серийно выпускаемые модули — элементы конструктора нестандартных заказных систем электропитания.

Высоконадежная электроника постоянно развивается в самых разнообразных направлениях. При этом новые изделия должны быть более производительными и надежными, а также удовлетворять условиям работы в очень жестких условиях. Кроме того, важное значение имеет время разработки и сроки ввода в действие конечного устройства. Американская компания VPT, Inc PT известна как мировой лидер в области проектирования и изготовления систем питания, предназначенных для авионики, специальных и космических приложений. Линейка продукции VPT, Inc PT включает DC/DC-конвертеры мощностью от 1 до 120 Вт и температурным диапазоном от –55 до +125 °C; EMI-фильтры; аксессуары для систем питания. Изделия VPT, Inc PT полностью соответствуют требованиям сертификата MIL-PRF-38534 Class H&K, ISO 900, а также многим другим американским и европейским стандартам. Среди многочисленных партнеров, использующих продукцию VPT, Inc PT, можно назвать такие крупнейшие фирмы, как NASA, Lockheed Martin, Boeing, United States Air Force и многие российские компании.

Для новых сложных электронных систем необходимы инновационные системы питания. Одним из направлений развития надежной электроники являются системы с VME-архитектурой.

Шина VME (VersaModule Eurocard bus) регламентирована стандартом МЭК ANSI/IEEE 1014-1987. Физически в стандарте VME используется конструктив «Евромеханика 3U, 6U, 9U». Разрядность шины — 32/64. В одном крейте может быть размещено до 21 модуля. В настоящее время асинхронная VME-шина широко используется в различных встраиваемых приложениях, таких, например, как специальная, аэрокосмическая, полицейская техника, и в других областях, где необходима повышенная надежность в жестких условиях эксплуатации.

В коммерческой продаже можно найти множество стандартных VME DC/DC-конвертеров. Однако по тем или иным параметрам они не удовлетворяют заказным блокам питания, предназначенным для специальных целей. В то же время существует возможность создания систем электропитания в стандарте VME с применением отдельных серийно выпускаемых DC/DC-конвертеров, удовлетворяющих военным и аэрокосмическим стандартам. При таком подходе существенно сокращается стоимость и время разработки специальных заказных систем питания.

В основном требования, предъявляемые к входным шинам систем электропитания специального назначения, отвечают стандартам MIL-STD-704, MIL-STD-1275, RTCA DO-160 Section 16, DEF STAN 61-5, J-STD-001, IPC-A-610 class 3, MILPRF-38534 Class H or Class K.

Основными параметрами, отличающими коммерческие и военные DC/DC-конвертеры, являются расширенный температурный диапазон (–55…+100 °C), повышенные ударные и вибрационные нагрузки, широкий диапазон входных напряжений и герметичный ударопрочный корпус.

Эти требования можно удовлетворить, используя отдельные DC/DC-конвертеры, EMI-фильтры и схемы защиты, соответствующие указанным выше стандартам. Объединение данных компонентов в конструктиве VME позволяет разработчикам создавать сложные заказные системы питания для самых разнообразных приложений. На рис. 1 показана структурная схема системы электропитания, соответствующая военным стандартам США и разработанная на базе серийно выпускаемых модулей VPT. Входное напряжение, удовлетворяющее стандарту MIL-STD-1275, фильтруется с помощью модуля VPTF20-28 и поступает на схему предварительной подготовки VPTCM-12. Модуль VPTCM-12 позволяет расширить диапазон входных напряжений до границ, регламентированных стандартами MIL-STD-704 и MIL-STD-1275. Кроме того, модуль служит в качестве защиты при кратковременных бросках напряжения. Фильтрованное напряжение 28 В с выхода VPTCM-12 подается на DC/DC-конвертеры VPT100+2800S и VPT30-2800D, которые вырабатывают напряжения 5; 1,8; 1,2 В и ±12 В соответственно.

Рис. 1. Структурная схема системы электропитания базе стандартных модулей VPT, удовлетворяющая стандартам MIL-STD

В результате расширенный диапазон входных напряжений (9–40 В) предоставляет возможность использовать эту систему электропитания практически в любых приложениях — от индустриального оборудования и гражданского транспорта до авиационной техники.

Комментарий специалиста

Подгорбунский Артем, инженер по внедрению холдинга PT Electronics, hirel@ptelectronics.ru

Стремительное развитие промышленности и ужесточение условий эксплуатации изделий ставит перед разработчиками все более сложные задачи в условиях ограниченного временного ресурса. Компания VPT предлагает отличное комплексное решение для реализации нестандартных систем питания, способное значительно сократить время разработки и обеспечить экономическую выгоду. Широкая номенклатура продукции и гибкость параметров позволяет реализовать практически любую систему электропитания специального назначения.

Требования, предъявляемые к параметрам входной шины

Параметры систем электропитания в конструктиве VME определяются международными, государственными или отраслевыми стандартами. Например, оборудование для американской авионики должно удовлетворять регламентам стандарта MIL-STD-704 или стандарта RTCA DO-160. Для автомобильного транспорта используется стандарт с более мягкими нормами — MIL-STD-1275. В этих документах определяются диапазоны входных и выходных напряжений, допустимые наводки и пульсации, предельные эксплуатационные характеристики. Требования по электромагнитной совместимости отражены в стандарте MIL-STD-461.

Большинство VME-систем питания рассчитано на работу с входным напряжением 28 В. Для питания отдельных устройств используются дополнительные DC/DC-конвертеры. Как правило, системы электропитания оснащены электромагнитными фильтрами и системами защиты от перегрузок по току, напряжению и температуре (рис. 1).

В различных стандартах, регламентирующих параметры входной шины, можно обнаружить ряд разночтений, вызывающих вопросы у разработчиков. Так, в стандарте MIL-STD-704 revision A приведены следующие значения входных сигналов: максимально допустимые броски напряжения на входе — 80 В, минимальное значение постоянного входного напряжения — 15 В; пульсации входного напряжения — не больше 2 В. В то же время в последней редакции указанного стандарта для этих параметров приведены соответственно значения: 50; 16; 1,5 В. В стандарте DO-160 указаны другие значения: 80; 17; 2 В. В некоторых случаях необходимы еще более универсальные режимы работы. Например, в системах электропитания, действующих от внешнего генератора, входное напряжение на DC/DC-конвертере может опускаться до 10–12 В в момент запуска двигателя. В некоторых системах возможно даже кратковременное пропадание входного напряжения на DC/DC-конвертерах. Для того чтобы система питания наилучшим образом удовлетворяла большинству стандартов, целесообразно предусмотреть широкие диапазоны входных напряжений, а также устойчивость к броскам напряжения и переходным процессам. В современных DC/DC-конвертерах специального назначения диапазоны входных напряжений обычно составляют: 16–40, 15–50, 9–60 В. Такие конвертеры, в зависимости от класса, должны выдерживать броски входного напряжения 50, 80 или 100 В.

Схемы согласования входного напряжения DC/DC-конвертеров

В тех случаях когда отдельные серийные DC/DC-конвертеры не удовлетворяют необходимым расширенным диапазонам, используются различные дополнительные устройства и схемы согласования.

На рис. 2 показана двухступенчатая схема согласования входного напряжения DC/DC-конвертера. Первый каскад обеспечивает расширенный диапазон перегрузок по входному напряжению. Второй каскад предназначен для повышения экстремально низких значений входного напряжения до величины, соответствующей рабочей области.

Рис. 2. Согласующий каскад входной шины DC/DC-конвертера

В первом каскаде кратковременные броски напряжения ограничиваются с помощью супрессора. Длительные перегрузки по входному напряжению могут в зависимости от назначения устройства достигать 80 (MIL-STD-704A, DO-160) или 100 В (MIL-STD-1275). Эти перегрузки демпфируется MOSFET-транзистором VT1, работающим в линейном режиме. В схеме, показанной на рис. 2, используется MOSFET-транзистор с n-каналом. Этот выбор обусловлен низким сопротивлением такого транзистора в открытом состоянии и способностью коммутировать большие токи. Следует обратить внимание на то, что для реализации заданных параметров возвращения входного напряжения в определенный диапазон транзистор должен работать с токами в десятки ампер на линейном участке характеристики.

Об авторе

Стив Батлер (Steve Butler) возглавляет отделение Advanced Product Development корпорации VPT, Inc в Блаксбурге (Вирджиния, США).

Стив Батлер является одним из главных конструкторов гибридной линии DC/DC стандартных и заказных конвертеров. В последнее время одно из наиболее важных направлений деятельности Стива Батлера связано с разработками DC/DC-конвертеров, предназначенных для работы при высоких температурах. Он имеет ученые степени бакалавра и магистра в области электротехники, зарегистрированные патенты и статьи в технических журналах по теме высокоэффективных преобразователей.

Рис. 3. Время восстановления рабочего режима DC/DC-конвертера в соответствии со стандартом MIL-STD-1275

Схема подкачки заряда переключает транзистор в полностью открытое состояние в нормальном режиме работы. Полупроводниковый стабилитрон переводит МОП-транзистор в режим работы линейного регулятора в тех случаях, когда входное напряжение превысит границу рабочего диапазона DC/DC-конвертера. Безопасный уровень входного напряжения выбран равным 50 В.

Второй каскад схемы выполняет роль бустера напряжения для ситуации, когда входное напряжение падает ниже рабочего интервала. Такие варианты описаны в стандартах MILSTD-1275 (режим включения) и MIL-STD-704, DO-160 (запуск двигателя генератора). В стандарте MIL-STD-1275 устанавливается кратковременное падение входного напряжения на начальном этапе до величины 6 В. Похожие случаи возможны, когда конвертер полностью выключается в экономных режимах и включается только в случае необходимости.

Во втором каскаде используется синхронная бустерная топология, в которой для увеличения эффективности и быстродействия выходной диод заменен на MOSFET-транзистор VT3. В нормальном режиме работы, когда входное напряжение находится в заданном диапазоне, бустер выключен и силовая часть MOSFET-транзистора полностью открыта. Схема подкачки заряда обеспечивает необходимый уровень смещения напряжения на затворе МОП-транзистора сразу после того, как входное напряжение упадет ниже заданного уровня.

Структурная схема, аналогичная приведенной на рис. 2, реализована в стандартном модуле VPTPCM-12.

Высокоскоростной драйвер должен переключать транзистор с минимальным временем задержки. Это время выбирают с таким расчетом, чтобы предотвратить аппаратный сбой работы DC/DC-конвертера.

На рис. 3 показана зависимость границ рабочего диапазона от времени восстановления в соответствии с MIL-STD-1275D. Зеленым цветом выделен нормальный рабочий диапазон входного напряжения DC/DC-конвертера. Красным цветом закрашена область регламентированных в MIL-STD-1275D колебаний входного напряжения конвертера. Чем меньше время восстановления, тем шире интервал допустимых отклонений от рабочего диапазона.

Силовые шины постоянного и переменного тока

В соответсвии с действующими стандартами вводы 270 В постоянного тока или 115 В переменного тока в специальной и военной технике могут быть организованы раз-личными способами. Однако предпочтительным является конструктив, в котором силовой и низковольтный блоки разделены. При этом первоначально в силовом блоке напряжение выпрямляется и понижается до 28 В. В низковольтный блок подается только низкое напряжение. В зависимости от задачи напряжение 28 В преобразуется с помощью отдельных DC/DC-конвертеров и поступает на конкретный узел.

Рис. 4. Структурная схема авиационного блока питания, разработанная на базе серийно выпускаемых модулей производства VPT

На рис. 4 показана структурная схема стандартного авиационного блока питания, соответствующего MIL-STD-704, разработанная на базе стандартных модулей производства VPT. Трехфазное переменное напряжение 115 В с часто-той 400 Гц вырабатывается генератором самолета. Затем это напряжение выпрямляется и преобразуется в постоянное напряжение 270 В, которое на следующем этапе понижается до 28 В и подается на блок стандартных DC/DC-конвертеров производства VPT. Бортовая сеть самолета содержит шины 5; 3,3; ±15; ±12 В.

Конструкция системы электропитания в стандарте VPE

Рис. 5. Модуль блока питания, разработанный в стандарте VPE на базе серийно выпускаемых модулей VPT

Описанный выше подход позволяет конструировать самые разные системы электропитания из стандартных серийно выпускаемых DC/DC-конвертеров, рассчитанных на входное напряжение 28 В. Отдельные модули могут быть напаяны на печатную плату и размещены в конструктиве VPE. Плата может быть дополнена устройствами пассивного и активного отвода тепла. Поскольку крейты VPE, в которых размещены отдельные VPE-модули, имеют системы охлаждения, на печатной плате можно не устанавливать дополнительное принудительное охлаждение. Поэтому стандартные модули VPT, рассчитанные на работу в интервале температур от –55 до +100 °C, могут быть использованы в крейтах VPE, предназначенных для индустриального диапазона температур от –55 до +85 °C. Конструктив VPE, кроме прочего, удобен и тем, что в нем можно дополнительно размещать служебные разъемы, температурные схемы защиты, индикаторы режимов работы и уровней сигналов, а также другое аналогичное сервисное оборудование.

На рис. 5 показан модуль блока питания, собранный в стандарте VPE из серийно выпускаемых модулей VPT. Конструктив VPE предусматривает вывод на разъем всех сигналов, необходимых для управления и обслуживания сложной системы электропитания, что позволяет применять расширенные варианты систем диагностики, контроля, управления и защиты.

В ряде новых разработок возникает потребность применения нестандартных систем питания со специальным набором входных и выходных напряжений и токов. В принципе существует два варианта решения этой задачи. В одном случае можно с нуля начать разработку нужного блока и, пройдя этапы НИР/ОКР, запустить изделие в производство. Другой подход основан на принципе «конструктора», в котором в качестве «кубиков» используются серийно выпускаемые модули. Линейка продукции VPT содержит практически все «кубики», требующиеся для конструирования сложных систем электропитания специального назначения. Поэтому в тех приложениях, где размеры системы электропитания не являются критичными, метод конструкции на дискретных модулях предусматривает значительно меньше временных и финансовых затрат.