Ontwerpvermogen voor harde omgevingen met behulp van TDK-Lambda's PFH500-modules.

Door de overstap naar het Industrial Internet of Things (IIoT) en de opkomst van 5G worden elektronische systemen ingezet voor steeds meer uiteenlopende en veeleisende toepassingen. Voor ontwerpers van deze systemen ligt de nadruk op voedingen die voldoen aan steeds hogere betrouwbaarheidseisen. Om aan deze betrouwbaarheidseisen te voldoen, zijn kenmerken als fysieke robuustheid en elektromagnetische interferentie (EMI)-beperking van cruciaal belang, evenals de ingebouwde intelligentie en connectiviteit die nodig zijn om te kunnen presteren binnen het nieuwe IIoT-verbonden paradigma.

Onder dit paradigma kunnen ontwerpers de effecten van stroomvoorziening en systeemuitval beperken door middel van zelfdiagnose, terwijl ze ook ruimte bieden voor updates op afstand, aanpassingen en prestatiebewaking terwijl ze in bedrijf zijn.

Dit artikel introduceert een oplossing voor deze eisen in de vorm van TDK-Lambda's PFH500-lijn van voedingsmodules. Het laat zien hoe het milieuontwerp van de voeding, met de toevoeging van de PMBus, de voeding en de overlevingskansen van het systeem kan verbeteren en de prestaties kan handhaven, zelfs in de zwaarste toepassingsomgevingen.

Waarom zou je de PMBus gebruiken?

Er kan veel worden gedaan met het PMBus open standaard communicatieprotocol voor digitaal energiebeheer. Het verbetert het gebruik en verbetert de prestaties en betrouwbaarheid van de voedingen. Het maakt bijvoorbeeld de meting en bewaking van verschillende voedingsparameters mogelijk, zoals de spanning en stroom op elke uitgang, de temperatuur van elke eindtrap, de goede toestand van elke eindtrap en de vrijgave van de uitgangstoestand van elke module, zonder externe instrumenten (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: PMBus-communicatiefuncties voor het bewaken/wijzigen van parameters. (Bron afbeelding: TDK-Lambda)

Gebruikers kunnen ook voorspellen wanneer er een storing zal optreden met continue PMBus-metingen voor een catastrofale storing, wat belangrijk is voor toepassingen in telecom 5G, slimme fabrieken, datacenters, remote/hard-to-get-to-locaties, en meer.

Kenmerken van de TDK-Lambda PFH500 voeding

De PFH500F-serie heeft een voetafdruk van 4 x 2,4 inch en wordt geleverd in een ¾ baksteenformaat (Afbeelding 2). Hij kan 500 watt (W) vermogen leveren met een geregelde uitgangsspanning van 28 volt die kan worden ingesteld van 22,4 volt tot 33,6 volt (±20%).

Afbeelding 2: De PFH500F-serie AC-DC-vermogensconvertors wordt geleverd in een ¾ baksteenvormfactor en kan 500 W leveren met een geregeld vermogen van 28 volt. (Bron afbeelding: TDK-Lambda)

Het ontwerp maakt gebruik van slechts één meerlagige pc-kaart zonder dat er een geïsoleerd metalen substraat nodig is, waardoor het geluid van de common mode wordt verminderd en de verbindingspennen worden geëlimineerd, waardoor de betrouwbaarheid wordt verhoogd. De power-architectuur maakt gebruik van een brugloze power-factorcorrectie (PFC)-techniek en synchrone rectificatie. Galliumnitride (GaN) vermogensapparaten worden gebruikt voor lagere verliezen en een beter rendement, waardoor het 90% tot 92% kan bereiken, met een vermogensdichtheid van 100 W/in³. De voeding is geschikt voor wereldwijd gebruik met een 85 tot 265 V_AC, 47 tot 63 Hertz (Hz) ingang.

Basisaansluiting

De schematische basisindeling met externe componenten inclusief een extern invoer-EMI-filter is weergegeven in Afbeelding 3.

Afbeelding 3: De externe basisaansluitingen voor de PFH500F-vermogensmodule bevatten een extern EMI-filter aan de linkerzijde. (Bron afbeelding: TDK-Lambda)

Dit aanbod is een goede keuze voor ruwe omgevingen in zowel traditionele als slimme fabrieken zoals te zien is in Afbeelding 4.

Afbeelding 4: De PFH500F-voedingsmodule voldoet aan strenge testvereisten voor ruwe omgevingen. (Bron afbeelding: TDK-Lambda)

De testresultaten laten zien dat er strenge tests zijn uitgevoerd, met name voor elektrostatische ontlading (ESD), radiofrequentie-interferentie (RFI) en elektromagnetische interferentie-immuniteit.

Droop-aandeel parallelle capaciteit

De extra spanningsval of -daling in een voeding is evenredig met de getrokken belasting. Wanneer twee voedingen met elkaar verbonden moeten worden om meer vermogen te produceren of om de belasting te delen, dan moet een parallelle uitvoering zoals TDK-Lambda's PFH500 worden gebruikt. De extra spanningsval is evenredig met de opgenomen belasting, zodat wanneer twee of meer voedingen parallel worden aangesloten, de uitgangsbelasting wordt gedeeld tussen de voedingen. Als een van de parallelle voedingen probeert meer stroom te leveren, zal de output ervan iets afnemen en zullen de andere voedingen uit balans raken (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Met de stroomdeeloptie van de Droop-modus op de PFH500 kan deze parallel met andere benodigdheden werken om de belasting te delen. (Bron afbeelding: TDK-Lambda)

Voor optimale prestaties moeten de uitgangen van alle voedingen op dezelfde spanning worden ingesteld. De belastingregeling van de PFH500 (28 volt versie) is 28 mV, of 0,1%, met V_IN = 115/230 V_AC.

Koelvermogen van de grondplaat

Geleidingskoeling wordt gedefinieerd als de overdracht van warmte van een heet gebied naar een ander koelergebied door middel van direct contact. De PFH500 heeft bijvoorbeeld een vlak oppervlak (grondplaat) dat is ontworpen om rechtstreeks op een extern koellichaam of een koude plaat te worden gemonteerd, die de warmte door direct contact van het stroomtoestel afvoert en daardoor afkoelt (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Een vermogensmodule, zoals de PFH500, wordt gekoeld via geleidingskoeling met een koellichaam (bron afbeelding: TDK-Lambda)

Voor meer details over koeling, zie "Technieken voor het koelen van stroom en andere elektronische apparaten".

Andere voordelen voor ontwerpers

De PFH500 biedt andere voordelen voor ontwerpers, waaronder het volgende:

• Gecoate metalen behuizing met potting helpt de uitstoot van straling te verminderen en verbetert het schok- en trillingsvermogen.
• Interne digitale isolatie (opto-isolatie is niet zo betrouwbaar)
• Input EMI-filter met overspanningsbeveiliging voorkomt fouten/onderbreking van de stroomvoorziening
• Intern inschakelrelais en -circuit beschermt de stroomtoevoer tegen schade
• De mogelijkheid om op afstand te voelen maakt het mogelijk om een spanning over een kabelafstand tot een lading op afstand nauwkeurig te regelen.
• Interne over-temperatuur- en overstroombeveiliging zorgt voor betrouwbaarheid
• VBUS-bewakingsvermogen ter bescherming tegen over-/onderspanning zorgt voor een ononderbroken werking
• In-circuit programmering; bijvoorbeeld door een slim systeem
• Kwalificaties op het gebied van veiligheidsnormen verhogen de betrouwbaarheid

Aan de slag met evaluatieborden

Evaluatietestborden zijn een pluspunt omdat ze een snellere time-to-market mogelijk maken. Ontwerpers zullen Gerber-bestanden voor deze evaluatieborden kunnen verkrijgen van TDK-Lambda om hun printplaatindeling in een systeem te helpen optimaliseren, en die kunnen worden geplakt in de grotere ontwerpopmaak van een systeemarchitectuur.

Er zijn drie PFH05W-evaluatietestborden:

• PFH05W28-1D0-EVK-S1-evaluatiekit met PFH500F-28-1D0-R-module
• PFH05W-001-EVK-S0-evaluatiekit zonder vermogensmodule
• PFH05W28-100-EVK-S1-evaluatiekit met PFH500F-28-100-R-module

Elk helpt de eerste evaluatie van de vermogensmodule te vereenvoudigen voor een snellere time-to-market, aangezien ze alle noodzakelijke externe componenten bevatten die nodig zijn voor het testen. Opmerking: er kan een externe luchtstroom nodig zijn om het koellichaam van de module te koelen wanneer deze met een belasting wordt gebruikt. De TDK-Lambda HS00110-koellichaam kan worden besteld in productiehoeveelheden (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: PFH05W PFH500F-evaluatieborden zullen een snellere time-to-market mogelijk maken en de prestaties voor de specifieke behoeften van een ontwerper aantonen. Externe koeling, zoals de HS00110-koelplaat (zie afbeelding), kan worden toegevoegd. (Bron afbeelding: TDK-Lambda)

Deze drie evaluatieborden hebben een enkelfasige, instelbare, AC-spanningsbron nodig (zie de afzonderlijke datasheets voor elk bord om de juiste grootte voor deze ingangsbron te bepalen), een 0 tot 500 volt DC-multimeter, een juiste uitgangsbelasting (raadpleeg de afzonderlijke datasheets voor de juiste grootte van de belasting) en een ventilator om de luchtstroom naar het koellichaam op het bord te verzorgen.

Opmerking voor gebruikers: Zorg ervoor dat alle in- en uitgangskabels spanningsvrij zijn voordat u elektrische verbindingen maakt met de evaluatietestborden.

Alternatieve toepassingen

Deze serie van AC-ingangen tot 28 volt uitgangen kan ook worden gebruikt in andere robuuste omgevingen, zoals een commerciële off-the-shelf (COTS)-voeding voor militaire grondvoertuigen, of rack-mount systemen zoals VMEbus (Versa Module Europa of Versa Module Eurocard bus). Ionenpompvoedingen, die onder andere worden gebruikt voor elektronenmicroscopen, kunnen ook profiteren van de PFH500F-serie.

Conclusie

De PFH500F-28-serie is een uitstekende keuze voor ruwe omgevingen vanwege fundamentele kenmerken, waaronder een hoge immuniteit voor EMI, RFI en andere ruis, evenals schokken, trillingen en temperatuurextremen die niet bevorderlijk zouden zijn voor het gebruik van een standaard voeding. Bovendien maken de hoge vermogensdichtheid, het modulaire ontwerp en de kleine voetafdruk een compacte voedingsimplementatie in een algemene grotere toepassing mogelijk.

De opname van PMBus maakt de zelfdiagnose, bewaking op afstand en datacommunicatie mogelijk die nodig zijn voor een succesvolle integratie van de voeding in een IIoT voorspellende analyse- en onderhoudsapplicatie.

Aanvullende bronnen

1. "Technieken voor koelvermogen en andere elektronische apparaten".