Design effekt for tøffe miljøer med TDK-Lambdas PFH500-effektmoduler

På grunn av overgangen til det industrielle tingenes internett (IIoT) og fremveksten av 5G, blir elektroniske systemer distribuert på tvers av stadig mer varierte og krevende bruksområder. For utviklerne av disse systemene er det lagt vekt på strømforsyninger som oppfyller stadig økende pålitelighetskrav. For å oppfylle disse pålitelighetskravene er egenskaper som fysisk robusthet og demping av elektromagnetisk interferens (EMI) viktige, det er også den innebygde intelligensen og tilkoblingsmulighetene som kreves for å prestere innenfor det nye IIoT-tilkoblede paradigmet.

Under dette paradigmet kan utviklere redusere effekten av nedetid for strømforsyningen og systemet gjennom selvdiagnostikk, samtidig som de kan muliggjøre eksterne oppdateringer, justeringer og ytelsesovervåking under drift.

Denne artikkelen introduserer en løsning på disse kravene i form av TDK-Lambdas PFH500-serie med strømforsyningsmoduler. Den viser hvordan strømforsyningens miljømessige design, med tilføyelsen av PMBus, kan forbedre strømforsyningen og systemoverlevelsen og opprettholde ytelsen i selv de tøffeste bruksmiljøene.

Hvorfor bruke PMBus?

Det er mye som kan gjøres med PMBus-strømstyringskommunikasjonsprotokollen med åpen standard for digital strømstyring. Den utvider bruken og forbedrer ytelsen og påliteligheten til strømforsyningen. Den gjør det for eksempel mulig å måle og overvåke ulike strømforsyningsparametere – så som spenning og strøm på hver utgang, temperatur på hver utgangstrinn, Power good-status for hver utgangstrinn og utgangsaktiveringsstatus for hver modul – uten ekstern instrumentering (figur 1).

Figur 1: PMBus-kommunikasjonsfunksjoner som brukes til å overvåke/endre parametere. (Bildekilde: TDK-Lambda)

Brukere kan også forutse når svikt vil oppstå med kontinuerlige PMBus-målinger før en katastrofal svikt, noe som er viktig for bruksområder innen telekom 5G, smartfabrikker, datasentre, eksterne/fjerntliggende steder og mer.

Funksjonene til TDK-Lambda PFH500-strømforsyningen

PFH500F-serien har en monteringsflate på 101,6 x 61 mm(4 x 2,4 tommer) og leveres i et 19 mm brikkeformat (¾ inch brick format) (figur 2). Den er i stand til å levere 500 watt (W) effekt med en regulert 28 volt utgangsspenning som kan justeres fra 22,4 volt til 33,6 volt (±20 %).

Figur 2: PFH500F-serien av AC–DC-effektomformere kommer i en ¾ mursteinsformfaktor og kan levere 500 W med regulert 28 volt effekt. (Bildekilde: TDK-Lambda)

Utførelsen bruker kun ett flerlags trykt kretskort uten behov for et isolert metallsubstrat, noe som reduserer fellesmodusstøy og eliminerer sammenkoblingspinner, og dermed øker påliteligheten. Strømarkitekturen bruker en lastfaktorkorreksjon (PFC) uten bro og synkron korrigering. Galliumnitrid-effektenheter (GaN) brukes for lavere tap og bedre effektivitet, slik at den kan nå 90 % til 92 %, med en strømtetthet på 100 W/in³. Forsyningen er egnet for bruk over hele verden med en inngang på 85 til 265 V_AC, 47 til 63 hertz (Hz).

Grunnleggende tilkobling

Det grunnleggende skjematiske oppsettet med eksterne komponenter, inkludert et eksternt innmating-EMI-filter, vises i figur 3.

Figur 3: Grunnleggende eksterne tilkoblinger for PFH500F-effektmodulen inkluderer et eksternt EMI-filter på venstre side. (Bildekilde: TDK-Lambda)

Denne forsyningen er et godt valg for tøffe miljøer i både tradisjonelle og smarte fabrikker som vist i figur 4.

Figur 4: PFH500F-effektmodulen oppfyller strenge krav til testing for tøffe miljøer. (Bildekilde: TDK-Lambda)

Modulen har bestått strenge tester, spesielt for elektrostatisk utladning (ESD), utstrålt radiofrekvensinterferens (RFI) og elektromagnetisk forstyrrelsesimmunitet.

Funksjon for parallell deling av negativ helning

Det ekstra spenningsfallet – eller negativ helning – i en strømforsyning er proporsjonal med belastningen som trekkes. Når to strømforsyninger skal kobles sammen for å produsere mer kraft eller for å dele belastningen, må en parallellkompatibel modell, for eksempel TDK-Lambdas PFH500, brukes. Det ekstra spenningsfallet er proporsjonalt med belastning som trekkes, slik at når to eller flere strømforsyninger er tilkoblet parallelt, deles utgangsbelastningen mellom strømforsyningene. Hvis én av de parallelle strømforsyningene prøver å gi mer strøm, vil effekten falle noe, og den andre forsyningen vil balansere ut (figur 5).

Figur 5: Droop-modus"-strømdelingsalternativet på PFH500 gjør det mulig å virke parallelt med andre forsyninger for å dele belastningen. (Bildekilde: TDK-Lambda)

For optimal ytelse skal alle strømforsyninger være innstilt til samme utgangsspenning. PFH500s (28-volt versjon) lastregulering (uten droop) er 28 mV, eller 0,1 %, med V_i = 115/230 V_AC.

Konduksjonsavkjølt bæreplate

Konduksjonsavkjøling er definert som varmeoverføring fra et varmt område til et annet kjøligere område ved direkte kontakt. PFH500 har for eksempel en flat overflate (bæreplate) som er utformet for å bli montert direkte på en ekstern kjøler eller kald plate som vil lede varmen vekk fra strømforsyningen ved direkte kontakt, og dermed kjøle den ned (figur 6).

Figur 6: En effektmodul, for eksempel PFH500, blir avkjølt via konduksjonsavkjøling med en kjøler (bildekilde: TDK-Lambda)

For mer informasjon om kjøling kan du se «Teknikker for kjøling av effektenheter og andre elektroniske enheter».

Andre fordeler for utviklere

PFH500 tilbyr andre fordeler for utviklere, inkludert følgende:

• Metallbelagt etui med innkapsling bidrar til å redusere utstråling og forbedrer støt- og vibrasjonsmotstanden
• Intern digital isolering (optoisolasjon er ikke like pålitelig)
• Inndata-EMI-filter med overspenningsvern forhindrer feil/avbrudd i strømforsyningen
• Internt innkoblingsstrømstøtrelé og -krets beskytter strømforsyningen mot skade
• Fjernanalysefunksjon muliggjør nøyaktig styring av en spenning over en kabelavstand til en ekstern belastning
• Intern overtemperatur- og overspenningsbeskyttelse sikrer pålitelighet
• VBUS-overvåkingsfunksjon som beskytter mot over-/underspenning, sikrer uavbrutt drift
• Programmering i kretsen, for eksempel av et smartsystem
• Sikkerhetsstandardkvalifikasjoner for økt pålitelighet

Kom i gang med evalueringskort

Evalueringstestkort er en fordel, siden de vil muliggjøre raskere tid markedet. Utviklere vil kunne innhente Gerber-filer for disse evalueringskortene fra TDK-Lambda for å bidra til å optimere kortoppsettet i et system, og som kan limes inn i et større designoppsett for en systemarkitektur.

Det finnes tre PFH05W-evalueringstestkort:

• PFH05W28-1D0-EVK-S1-evalueringssett med PFH500F-28-1D0-R-modul
• PFH05W-001-EVK-S0-evalueringssett uten effektmodul
• PFH05W28-100-EVK-S1-evalueringssett med PFH500F-28-100-R-modul

Hver av dem bidrar til å forenkle innledende evaluering av effektmodulen slik at tiden til markedet blir kortere, siden de inneholder alle de nødvendige eksterne komponentene som trengs for testing. Merk: Ekstern luftstrøm kan være nødvendig for å kjøle ned modulkjøleren når den drives med en belastning. TDK-Lambda HS00110-kjøleren kan bestilles i produksjonsmengder (figur 7).

Figur 7: PFH05W PFH500F-evalueringskort vil muliggjøre kortere tid til markedet og demonstrere ytelsen for utviklerens spesifikke behov. Ekstern kjøling, for eksempel HS00110-kjøleren (vist), kan legges til. (Bildekilde: TDK-Lambda)

Disse tre evalueringskortene vil trenge en enkelfaset og justerbar AC-spenningskilde (se hvert dataark for hvert kort for å avgjøre riktig størrelse for denne inngangskilden), et 0 til 500 volt DC-multimeter, korrekt utgangsbelastning (se individuelle dataark for korrekte belastningsstørrelse) og en vifte som leverer luftstrøm til kjøleren på kortet.

Merknad for brukere: Påse at alle inn- og utgangskabler er strømløse før du kobler elektriske koblinger til evalueringstestkortene.

Alternative bruksområder

Denne serien med AC-innganger til 28 volt utgangsforsyninger kan også brukes i andre robuste miljøer, slik som en kommersiell standardstrømforsyning (COTS) for militære bakkekjøretøyplattformer eller hyllemonterte systemer som VMEbus (Versa-modul Europa eller Versa-modul Eurocard-buss). Strømforsyninger for ionepumpe, som brukes til bl.a. elektronmikroskoper, kan også dra nytte av PFH500F-serien.

Konklusjon

PFH500F-28-serien er et utmerket valg for tøffe miljøer på grunn av de grunnleggende egenskapene, bl.a. høy immunitet mot EMI, RFI og annen støy samt støt, vibrasjoner og ekstreme temperaturer, som du ikke får med en standard strømforsyning. I tillegg tilrettelegger den høye strømtettheten, den modulære designen og den lille monteringsflaten for en kompakt strømforsyningsimplementering i et generelt større bruksområde.

Inkludering av PMBus gjør det mulig for selvdiagnostikk, ekstern overvåking og datakommunikasjon som kreves for at strømforsyningen skal kunne integreres i et IIoT-bruksområde for prediktiv analyse og vedlikehold.

Ytterligere ressurser

1. «Teknikker for kjøling av effektenheter og andre elektroniske enheter»