Konstruera strömförsörjning för tuff miljö med TDK-Lambda kraftmoduler PFH500

Tack vare det industriella sakernas internet (IIoT) och 5G används elektroniska system i allt mer varierande och krävande tillämpningar. Konstruktörerna av dessa system har fokus på strömförsörjningar som lever upp till allt högre krav på tillförlitlighet. För att klara av dessa tillförlitlighetskrav är egenskaper som fysisk robusthet och EMI-dämpning kritiska. Lika viktiga är inbyggd intelligens och den konnektivitet som krävs för IIoT-anslutna enheter.

På så sätt kan konstruktörer minimera effekterna vid stillestånd för strömförsörjningar och system genom självdiagnos, samtidigt som fjärrstyrda uppdateringar, justeringar och prestandaövervakning under drift blir möjligt.

I denna artikel introducerar vi en lösning på dessa behov, nämligen TDK-Lambdas PFH500-serie med strömförsörjningsmoduler. Vi tittar närmare på hur strömförsörjningens miljöformgivning, genom tillägget av PMBus, kan förbättra både själva strömförsörjningens och systemets livslängd, samtidigt som prestandan upprätthålls i de tuffaste tillämpningarna.

Varför PMBus?

PMBus-kommunikationsprotokollet för krafthantering med öppen standard är mycket användbart inom digital krafthantering. Det underlättar användning och förbättrar både prestanda och tillförlitlighet för strömförsörjningar. Det medger till exempel mätning och övervakning av olika strömförsörjningsparametrar (exempelvis spänning och ström för varje utgång, temperatur för varje utgångssteg, god effektstatus för varje utgångssteg och aktivering av utgångsstatus för varje modul) utan behov av externa instrument (figur 1).

Figur 1: Kommunikationsfunktioner för PMBus som används för övervakning/ändring av parametrar. (Bildkälla: TDK-Lambda)

Användare kan också förutsäga när fel kommer att inträffa med kontinuerlig PMBus-mätning innan ett haveri uppstår, vilket är viktigt i tillämpningar inom telekommunikation med 5G, smarta fabriker, datacenter, svåråtkomliga platser och mycket annat.

Funktionerna för TDK-Lambdas strömförsörjning PFH500

PFH500F-seriens format är 10 x 6 cm (figur 2). Den levererar upp till 500 W effekt med reglerad 28 V utspänning som kan justeras från 22,4 V till 33,6 V (±20 %).

Figur 2: AC-DC-kraftomvandlare i PFH500F-serien har litet format och levererar 500 W effekt med en reglerad 28 V-utgång. (Bildkälla: TDK-Lambda)

I konstruktionen används endast ett flerlagers kretskort utan behov av isolerat metallsubstrat, vilket reducerar Common Mode-brus och eliminerar sammankopplade stift – för ökad tillförlitlighet. Vid Power Architecture används en bryggfri effektfaktorkorrigeringsteknik (PFC) och synkron likriktning. Kraftenheter av galliumnitrid (GaN) används för att minimera förluster och maximera verkningsgrad, vilket gör att de kan uppnå 90 till 92 % verkningsgrad vid 6,1 W/cm³ effekttäthet. Strömförsörjningen är lämplig för användning över hela världen, tack vare ingång för 85–265 _VAC, 47–63 Hz.

Grundläggande anslutning

Grundläggande schematisk layout med externa komponenter inklusive ett EMI-filter för extern ingång visas i figur 3.

Figur 3: Grundläggande extern anslutning för kraftmodulen PFH500F inklusive externt EMI-filter på vänster sida. (Bildkälla: TDK-Lambda)

Denna strömförsörjning är ett bra alternativ för tuff miljö i både traditionella och smarta fabriker (se figur 4).

Figur 4: Kraftmodulen PFH500F uppfyller de rigorösa testningskraven för tuffa miljöer. (Bildkälla: TDK-Lambda)

Testresultaten visar krav som måste uppfyllas vid rigorösa tester, särskilt för elektrostatiska urladdningar (ESD), radierad radiostörning (RFI) och immunitet mot elektromagnetisk interferens.

Parallellkapacitet för delning av statik

Det extra spänningsfallet (eller statiken) i en strömförsörjning är proportionellt till lasten. När två strömförsörjningar ska sammankopplas för att leverera mer effekt eller för att dela på en last ska en parallellkapabel modell som TDK-Lambdas PFH500 användas. Det extra spänningsfallet är proportionellt till lasten, så när två eller fler strömförsörjningar parallellkopplas delas utgående last mellan dessa. Om en av de parallellkopplade strömförsörjningarna försöker leverera mer ström faller dess uteffekt något och de andra strömförsörjningarna kommer att balansera ut detta (figur 5).

Figur 5: Tillvalet strömdelning i statikläge på PFH500 gör det möjligt att arbeta parallellt med andra strömförsörjningar för att dela lasten. (Bildkälla: TDK-Lambda)

För optimal prestanda ska strömförsörjningarnas utgångar ställas in på samma spänning. Lastregleringen för PFH500 (28 V-version) (utan statik) är 28 mV (eller 0,1 %) med V_IN = 115/230 V_AC.

Konduktionskylningskapacitet för basplatta

Konduktionskylning definieras som överföring av värme från ett varmt område till ett svalare område genom direktkontakt. PFH500 har till exempel en plan yta (basplatta) som är utformad att passa direkt på en extern kylfläns eller kylplatta som leder bort värmen från strömförsörjningen genom direktkontakt och på så sätt kyler den (figur 6).

Figur 6: En kraftmodul som PFH500 som kyls via konvektionskylning med kylfläns (bildkälla: TDK-Lambda)

Mer information om kylning finns i Tekniker för kylning av strömförsörjningar och andra elektroniska enheter.

Andra fördelar för konstruktörer

PFH500 har andra fördelar för konstruktörer, som bland annat följande:

• Belagt metallhölje med ingjutning bidrar till lägre utstrålning och förbättrar motståndskraften mot stötar och vibrationer
• Intern digital isolering (optisk isolering är inte lika tillförlitlig)
• Ingång med EMI-filter med överspänningsskydd som förhindrar fel/avbrott för strömförsörjningen
• Internt inkopplingsrelä och interna kretsar som skyddar strömförsörjningen mot skada
• Med fjärrdetekteringskapacitet säkerställs korrekt kontroll av spänning över en kabel till en fjärrplacerad last.
• Internt skydd mot övertemperatur och överström säkerställer tillförlitligheten
• VBUS-övervakningskapacitet som skyddar mot över-/underspänning säkerställer avbrottsfri drift
• ICP (in-circuit programming), till exempel av ett smart system
• Uppfyllande av säkerhetsstandarder ökar tillförlitligheten

Komma igång med utvärderingskort

Utvärderingskort för test bidrar till kortare tid till marknad. Konstruktörer kommer att kunna hämta Gerberfiler för dessa utvärderingskort från TDK-Lambda, vilka bidrar till optimering av ett systems kretskortslayout och som kan klistras in i en systemarkitekturs övergripande designlayout.

Det finns tre PFH05W-utvärderingskort för test:

• PFH05W28-1D0-EVK-S1 utvärderingssats med PFH500F-28-1D0-R-modul
• PFH05W-001-EVK-S0 utvärderingssats utan kraftmodul
• PFH05W28-100-EVK-S1 utvärderingssats med PFH500F-28-100-R-modul

Alla dessa bidrar till att underlätta initial utvärdering av kraftmoduler för kortare tid till marknad, eftersom de har de externa komponenter som behövs för testning. OBS! Det kan behövas externt luftflöde för att kyla modulens kylflänsar vid drift med last. TDK-Lambdas HS00110-kylflänsar kan beställas i produktionskvantiteter (figur 7).

Figur 7: Utvärderingskort PFH05W och PFH500F ger kortare tid till marknad och visar prestandan för en konstruktörs särskilda behov. Extern kylning som kylflänsen HS00110 (se bilden) kan läggas till. (Bildkälla: TDK-Lambda)

Dessa tre utvärderingskort behöver en 1-fas, justerbar AC-spänningskälla (se separata datablad för varje kretskort för att kunna fastställa korrekt storlek för denna inkommande källa), en multimeter för 0–500 VDC, en lämplig utgångslast (se individuella datablad för korrekt laststorlek) och en fläkt som säkerställer luftflöde till kretskortets kylfläns.

Anmärkning för användare: Försäkra dig om att alla inkommande och utgående kablar är spänningslösa innan du utför elanslutningar på utvärderingskort för test.

Alternativa tillämpningar

Denna serie med strömförsörjningar för AC-ingång till 28 V-utgång kan också användas i andra tuffa miljöer, som kommersiella, färdigköpta (COTS) strömförsörjningar för plattformar för militära markfordon eller rackmonterade system som VMEbus (Versa Module Europa eller Versa Module Eurocard). PFH500F-serien kan också användas i strömförsörjningar för jonpumpar (används bland annat i elektronmikroskop).

Slutsats

PFH500F-28-serien är ett utmärkt val för tuffa miljöer tack vare dess egenskaper, inklusive hög immunitet mot EMI, RFI och annat brus, samt stötar, vibrationer och extrema temperaturer som inte uppmuntrar till användning av konventionella strömförsörjningar. Deras högre effekttäthet, moduluppbyggda design och lilla format möjliggör implementering av en kompakt strömförsörjning i en större tillämpning.

Genom användning av PMBus säkerställs den självdiagnostik, fjärrövervakning och datakommunikation som krävs för en lyckad integrering av strömförsörjningen i IIoT-applikationer för test av förväntat värde och underhåll.

Ytterligare resurser

1. Tekniker för kylning av strömförsörjningar och andra elektroniska enheter