Design strøm til barske miljøer med TDK-Lambdas PFH500-effektmoduler

I takt med overgangen til det industrielle Internet of Things (IIoT) og introduktionen af 5G installeres der elektroniske systemer på tværs af stadig mere forskelligartede og krævende anvendelsesformål. Designere af disse systemer har fokus på strømforsyninger, der opfylder de stadig større krav til driftssikkerhed. Nogle af de vigtigste egenskaber ifm. at opfylde disse krav er fysisk robusthed og reduktion af elektromagnetisk interferens (EMI), og det samme gælder den indbyggede intelligens og de forbindelsesmuligheder, der kræves for at fungere optimalt inden for det nye IIoT-forbundne paradigme.

Under dette paradigme kan designere afbøde indvirkningen af strømforsyningers og systemers nedetid via selvdiagnosticering, samtidig med at der gives mulighed for fjernopdateringer, justeringer og overvågning af ydeevne under drift.

Denne artikel introducerer en løsning på disse udfordringer i form af TDK-Lambdas PFH500-serie af strømforsyningsmoduler. Den viser, hvordan strømforsyningens miljømæssige design med tilføjelsen af PMBus kan forbedre strømforsyningen og systemets overlevelse og opretholde ydeevnen under selv de mest krævende anvendelser og miljøer.

Hvorfor bruge PMBus?

Der kan udrettes meget med PMBus open standard-kommunikationsprotokollen til digital strømstyring. Den forbedrer brugen, ydeevnen og pålideligheden af strømforsyninger. F.eks. gør den det muligt at måle og overvåge forskellige strømforsyningsparametre – som f.eks. spænding og strømstyrke på hver udgang, temperaturen på hvert udgangsstadie, effektstatus for hvert udgangsstadie og udgangsstatus for hvert modul – uden nogen eksterne instrumenter (figur 1).

Figur 1: PMBus-kommunikationsfunktioner der bruges til at overvåge/ændre parametre. (Billedkilde: TDK-Lambda)

Med kontinuerlige PMBus-målinger kan brugere også forudsige, hvornår der opstår fejl, så der undgås katastrofale fejl – hvilket er vigtigt for anvendelser indenfor 5G-telekommunikation, intelligente fabrikker, datacentre, fjerntliggende steder og meget mere.

TDK-Lambda PFH500-strømforsyningens egenskaber

PFH500F-serien har en monteringsflade på 4 x 2,4 tommer (10,16 x 6,09 cm) og fås i et ¾-brick-format (figur 2). Den er i stand til at levere 500 W effekt med en reguleret 28-volts udgangsspænding, der kan justeres fra 22,4 volt til 33,6 volt (±20 %).

Figur 2: PFH500F-serien af AC-DC-effektkonvertere leveres i en ¾-brick-formfaktor og kan levere 500 W med en reguleret 28-volts udgang. (Billedkilde: TDK-Lambda)

Designet bruger kun et enkeltlags-PCB uden behov for et isoleret metalsubstrat, hvilket reducerer common mode-støj og eliminerer indbyrdes forbundne stifter, hvilket igen øger pålideligheden. Strømarkitekturen anvender en brofri Power Factor Correction (PFC)-teknik og synkron ensretning. Galliumnitrid (GaN)-effektenheder bruges for at opnå lavere tab og større effektivitet, så den kan levere 90 % til 92 % effektivitet med en effekttæthed på 100 W/kubiktomme. Forsyningen er egnet til brug i hele verden med en indgangsspænding på 85 til 265 V_AC, 47 til 63 Hz.

Grundlæggende forbindelse

Det grundlæggende skematiske layout med eksterne komponenter, herunder et EMI-filter med ekstern input, vises i figur 3.

Figur 3: De grundlæggende eksterne forbindelser til PFH500F-effektmodulet omfatter et eksternt EMI-filter på venstre side. (Billedkilde: TDK-Lambda)

Denne forsyning er et godt valg til barske miljøer på både traditionelle og intelligente fabrikker som vist i figur 4.

Figur 4: PFH500F-effektmodulet overholder strenge testkrav til barske miljøer. (Billedkilde: TDK-Lambda)

Testresultaterne påviser, at den består de strenge test, især mht. elektrostatisk udladning (ESD), udstrålet radiofrekvensinterferens (RFI) og elektromagnetisk interferensimmunitet.

Parallel deling af spændingsfald

Det ekstra spændingsfald i en strømforsyning er proportionalt med belastningen. Når to strømforsyninger skal forbindes for at producere mere effekt eller dele belastningen, bør der anvendes en parallel-kompatibel model som f.eks. TDK-Lambda-PFH500. Det ekstra spændingsfald er proportionalt med belastningen, så når to eller flere strømforsyninger forbindes parallelt, deles udgangsbelastningen mellem strømforsyningerne. Hvis en af de parallelle strømforsyninger forsøger at levere mere strømstyrke, vil dens output falde en smule, og de andre strømforsyninger vil kompensere for dette (figur 5).

Figur 5: Droop Mode-strømdelingsfunktionen på PFH500 gør det muligt for den at arbejde parallelt med andre strømforsyninger for at dele byrden. (Billedkilde: TDK-Lambda)

For at opnå optimal ydeevne bør alle strømforsyninger være indstillet til den samme udgangsspænding. PFH500's (28-volt version) belastningsregulering (uden fald) er 28 mV, eller 0,1 %, med V_IN = 115/230 V_AC.

Køling via fundamentplades varmeledning

Køling via varmeledning defineres som overførsel af varme fra ét varmt område til et andet, køligere, område ved direkte kontakt. F.eks. har PFH500 en flad overflade (fundamentplade), der er beregnet til montering direkte på en ekstern køleplade eller en kold plade, som fører varmen væk fra strømenheden ved direkte kontakt, hvorved den afkøles (figur 6).

Figur 6: Køling af et effektmodul, som f.eks. PFH500, via varmeledning med køleribber (billedkilde: TDK-Lambda)

Få flere oplysninger om køling i "Teknikker til køling af strømenheder og andre elektroniske enheder."

Andre fordele for designere

PFH500 giver designere andre fordele, herunder følgende:

• Lakeret metalkasse med indstøbning hjælper med at reducere udstrålede emissioner og forbedrer stød- og vibrationsabsorptionsevnen
• Intern digital isolering (opto-isolering er ikke lige så pålidelig)
• EMI-filter på input med overspændingsbeskyttelse forhindrer fejl/afbrydelse af strømforsyningen
• Internt startstrømsrelæ og kredsløb beskytter strømforsyningen mod skader
• Remote Sense-funktion giver mulighed for nøjagtig kontrol af en spænding over kabel til en fjernbelastning
• Intern overtemperatur- og overstrømsbeskyttelse øger driftssikkerheden
• VBUS-overvågningsfunktion, der beskytter mod over-/underspænding, sikrer uafbrudt drift
• In-circuit-programmering f.eks. fra et smart-system
• Overholdelse af sikkerhedsstandarder øger pålideligheden

Kom i gang med evalueringskort

Evalueringstestkort er et plus, da de kan forkorte time-to-market. Designere vil være i stand til at hente Gerber-filer til disse evalueringskort fra TDK-Lambda som hjælp til at optimere deres kortlayout i et system, og som kan indsættes i et større designlayout til en systemarkitektur.

Der er tre PFH05W-evalueringstestkort:

• PFH05W28-1D0-EVK-S1 evalueringskit med PFH500F-28-1D0-R-modul
• PFH05W-001-EVK-s0 evalueringskit uden effektmodul
• PFH05W28-100-EVK-S1 evalueringskit med PFH500F-28-100-R-modul

Hvert kit hjælper med at forenkle den indledende evaluering af effektmodulet for at forkorte time-to-market, da de alle indeholder de eksterne komponenter, der er nødvendige for at teste. Bemærk: Der kan være behov for ekstern luftstrøm for at afkøle modulets kølelegeme, når det er under belastning. TDK-Lambda HS00110 køleribber kan bestilles i produktionsmængder (figur 7).

Figur 7: PFH05W PFH500F-evalueringskort vil muliggøre en forkortelse af time-to-market og demonstrere, om ydeevnen lever op til designerens behov. Ekstern køling, f.eks. HS00110-køleribber (vist), kan tilføjes. (Billedkilde: TDK-Lambda)

Disse tre evalueringskort har brug for en enkeltfase-, justerbar AC-spændingskilde (se de separate datablade for hvert kort for at bestemme den korrekte størrelse for denne inputkilde), et 0 til 500 volt DC-multimeter, en korrekt udgangsbelastning (se de rette belastninger i de enkelte dataark) og en ventilator til at levere luftgennemstrømning til køleribberne på kortet.

Bemærkning til brugere: Sørg for, at ingen af input- og outputkablerne er strømførende, før der foretages elektriske tilslutninger til evalueringstestkortene.

Alternative anvendelser

Denne serie af strømforsyninger med AC-indgang til 28-volts udgang kan også bruges i andre barske miljøer, f.eks. som en køreklar kommerciel strømforsyning til militære køretøjsplatforme eller rackmonterede systemer som VMEbus (Versa Module Europa eller Versa Module Eurocard bus). Ionpumpe-strømforsyninger, der bruges til bl.a. elektronmikroskoper, kan også drage fordel af PFH500F-serien.

Konklusion

PFH500F-28-serien er et fremragende valg til barske miljøer på grund af dens grundlæggende egenskaber, herunder høj immunitet over for EMI, RFI og anden støj, samt stød, vibrationer og ekstreme temperaturer, hvor en standard strømforsyning ikke ville være egnet. Desuden muliggør deres høje effekttæthed, modulære design og lille monteringsflade en kompakt strømforsyningsimplementering i en større sammenhæng.

Inklusionen af PMBus giver mulighed for selvdiagnosticering, fjernovervågning og datakommunikation, der kræves til integration af strømforsyningen i IIoT-anvendelsesformål til prædiktiv analyse og vedligeholdelse.

Flere ressourcer

1. "Teknikker til køling af strømenheder og andre elektroniske enheder"