Stromversorgung für raue Umgebungen mit den Leistungsmodulen PFH500 von TDK-Lambda

Durch den Übergang zum industriellen Internet der Dinge (IIoT) und das Aufkommen von 5G werden elektronische Systeme in immer vielfältigeren und anspruchsvolleren Anwendungen eingesetzt. Für die Entwickler dieser Systeme liegt der Schwerpunkt auf Stromversorgungen, die immer höhere Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllen. Um diesen Anforderungen an die Zuverlässigkeit gerecht zu werden, sind Eigenschaften wie physische Robustheit und Minderung elektromagnetischer Störungen (EMI) von entscheidender Bedeutung, ebenso wie die eingebaute Intelligenz und Konnektivität, die für die Leistung innerhalb des neuen IIoT-Verbindungsparadigmas erforderlich sind.

Unter diesem Paradigma können Konstrukteure die Auswirkungen von Stromversorgungs- und Systemausfallzeiten durch Selbstdiagnose mindern und gleichzeitig Remote-Updates, Anpassungen und Leistungsüberwachung während des Betriebs ermöglichen.

Dieser Artikel stellt eine Lösung für diese Anforderungen in Form der Stromversorgungsmodule der PFH500-Reihe von TDK-Lambda vor. Sie zeigt, wie das Umweltdesign des Netzteils mit dem zusätzlichen PMBus die Stromversorgung und die Systemüberlebensdauer verbessern und die Leistung selbst in den rauesten Anwendungsumgebungen aufrechterhalten kann.

Warum den PMBus verwenden?

Mit dem PMBus-Kommunikationsprotokoll für die digitale Energieverwaltung nach dem offenen Standard kann viel getan werden. Es verbessert die Nutzung und verbessert die Leistung und Zuverlässigkeit von Stromversorgungen. So ermöglicht es beispielsweise die Messung und Überwachung verschiedener Stromversorgungsparameter - wie Spannung und Strom an jedem Ausgang, Temperatur jeder Ausgangsstufe, Power Good Status jeder Ausgangsstufe und Output Enable Status jedes Moduls - ohne externe Instrumente (Abbildung 1).

Abbildung 1: PMBus-Kommunikationsfunktionen, die zur Überwachung/Änderung von Parametern verwendet werden. (Bildquelle: TDK-Lambda)

Benutzer können auch durch kontinuierliche PMBus-Messungen vor einem katastrophalen Ausfall vorhersagen, wann ein Ausfall auftreten wird, was für Anwendungen in 5G-Telekommunikationsunternehmen, intelligenten Fabriken, Rechenzentren, entfernten/ schwer erreichbaren Standorten und mehr wichtig ist.

Merkmale der Stromversorgung TDK-Lambda PFH500

Die PFH500F-Serie hat eine Grundfläche von 4 x 2,4 Zoll und wird im ¾ Backsteinformat geliefert (Abbildung 2). Er ist in der Lage, 500 Watt (W) Leistung mit einer geregelten 28-Volt-Ausgangsspannung zu liefern, die von 22,4 bis 33,6 Volt (±20%) eingestellt werden kann.

Abbildung 2: Die AC-DC-Leistungswandler der Serie PFH500F sind in einem ¾ Brick-Formfaktor erhältlich und können 500 W bei einer geregelten Ausgangsspannung von 28 Volt liefern. (Bildquelle: TDK-Lambda)

Das Design verwendet nur eine mehrschichtige Leiterplatte, ohne dass ein isoliertes Metallsubstrat erforderlich ist, was das Gleichtaktrauschen reduziert und die Verbindungsstifte eliminiert und somit die Zuverlässigkeit erhöht. Die Leistungsarchitektur verwendet eine brückenlose Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und Synchrongleichrichtung. Leistungsbauelemente aus Galliumnitrid (GaN) werden für geringere Verluste und bessere Effizienz verwendet, wodurch es möglich ist, 90% bis 92% zu erreichen, bei einer Leistungsdichte von 100 W/in³. Das Netzteil ist für den weltweiten Einsatz mit einem 85 bis 265 V_AC, 47 bis 63 Hertz (Hz) Eingang geeignet.

Grundlegende Verbindung

Das grundlegende schematische Layout mit externen Komponenten einschließlich eines externen Eingangs-EMI-Filters ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Zu den grundlegenden externen Anschlüssen für das PFH500F-Leistungsmodul gehört ein externer EMI-Filter auf der linken Seite. (Bildquelle: TDK-Lambda)

Dieses Angebot ist eine gute Wahl für raue Umgebungen sowohl in traditionellen als auch in intelligenten Fabriken, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Das Leistungsmodul PFH500F erfüllt strenge Testanforderungen für raue Umgebungen. (Bildquelle: TDK-Lambda)

Die Testergebnisse zeigen, dass die strengen Tests, insbesondere in Bezug auf elektrostatische Entladung (ESD), gestrahlte Radiofrequenz-Interferenz (RFI) und elektromagnetische Störfestigkeit, bestanden wurden.

Pseudo-Parallelfähigkeit

Der zusätzliche Spannungsabfall bzw. -abfall in einer Stromversorgung ist proportional zur aufgenommenen Last. Wenn zwei Stromversorgungen miteinander verbunden werden sollen, um mehr Leistung zu erzeugen oder die Last zu teilen, dann sollte ein parallel-fähiges Modell wie das PFH500 von TDK-Lambda verwendet werden. Der zusätzliche Spannungsabfall ist proportional zur gezogenen Last, so dass bei Parallelschaltung von zwei oder mehr Netzteilen die Ausgangslast zwischen den Netzteilen aufgeteilt wird. Wenn eines der parallel geschalteten Netzteile versucht, mehr Strom zu liefern, sinkt seine Leistung leicht ab, und die anderen Netzteile gleichen sich aus (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die Stromanteil-Option des PFH500 im Pausenmodus ermöglicht die parallele Arbeit mit anderen Stromversorgungen, um die Last zu teilen. (Bildquelle: TDK-Lambda)

Für eine optimale Leistung sollten alle Netzteile ihre Ausgänge auf die gleiche Spannung eingestellt haben. Die Lastregelung des PFH500 (28-Volt-Version) (ohne P-Bereich) beträgt 28 mV oder 0,1 % mit V_IN = 115/230 V_AC.

Leitfähigkeit der Grundplatte

Konduktionskühlung ist definiert als die Übertragung von Wärme von einem heißen Bereich auf einen anderen kühleren Bereich durch direkten Kontakt. Der PFH500 hat zum Beispiel eine flache Oberfläche (Grundplatte), die direkt auf einen externen Kühlkörper oder eine Kühlplatte montiert werden kann, die die Wärme durch direkten Kontakt vom Leistungsgerät wegleitet und es dadurch kühlt (Abbildung 6).

Abbildung 6: Ein Leistungsmodul, wie das PFH500, wird über Leitungskühlung mit einem Kühlkörper gekühlt (Bildquelle: TDK-Lambda)

Für weitere Einzelheiten zur Kühlung siehe "Techniken zur Kühlung von Netzteilen und anderen elektronischen Geräten".

Weitere Vorteile für Designer

Der PFH500 bietet weitere Vorteile für Konstrukteure, darunter die folgenden:

• Beschichtetes Metallgehäuse mit Verguss hilft bei der Reduzierung der Strahlungsemissionen und verbessert die Schock- und Vibrationsfähigkeit
• Interne digitale Isolierung (Opto-Isolierung ist nicht so zuverlässig)
• Eingangs-EMI-Filter mit Überspannungsschutz verhindert Fehler/Unterbrechung der Stromversorgung
• Internes Einschaltrelais und Schaltkreis schützt die Stromversorgung vor Schäden
• Die Fähigkeit zur Fernabfrage ermöglicht die genaue Steuerung einer Spannung über eine Kabeldistanz zu einer entfernten Last
• Interner Übertemperatur- und Überstromschutz gewährleistet Zuverlässigkeit
• Die VBUS-Überwachungsfunktion zum Schutz vor Über-/Unterspannung gewährleistet einen unterbrechungsfreien Betrieb
• In-Circuit-Programmierung, zum Beispiel durch ein intelligentes System
• Qualifikationen der Sicherheitsstandards erhöhen die Zuverlässigkeit

Beginnen Sie mit Evaluierungsboards

Evaluierungs-Testboards sind ein Plus, da sie eine schnellere Markteinführung ermöglichen. Designer können Gerber-Dateien für diese Evaluierungsboards von TDK-Lambda erhalten, um ihr Board-Layout in einem System zu optimieren, und die in das größere Design-Layout einer Systemarchitektur eingefügt werden können.

Es gibt drei PFH05W-Evaluierungstestboards:

• PFH05W28-1D0-EVK-S1-Evaluierungskit mit Modul PFH500F-28-1D0-R
• PFH05W-001-EVK-S0-Evaluierungskit-Baugruppe ohne Leistungsmodul
• PFH05W28-100-EVK-S1 Evaluationskit-Baugruppe mit Modul PFH500F-28-100-R

Sie vereinfachen die erste Bewertung des Leistungsmoduls für eine schnellere Markteinführung, da sie alle notwendigen externen Komponenten enthalten, die für die Tests benötigt werden. Hinweis: Beim Betrieb mit einer Last kann ein externer Luftstrom zur Kühlung des Modulkühlkörpers erforderlich sein. Der Kühlkörper TDK-Lambda HS00110 kann in Produktionsmengen bestellt werden (Abbildung 7).

Abbildung 7: PFH05W PFH500F Evaluierungsboards ermöglichen eine schnellere Markteinführung und demonstrieren die Leistung für die besonderen Anforderungen eines Designers. Externe Kühlung, wie z.B. der Kühlkörper HS00110 (abgebildet), kann hinzugefügt werden. (Bildquelle: TDK-Lambda)

Diese drei Evaluation-Boards benötigen eine einphasige, einstellbare Wechselspannungsquelle (siehe die separaten Datenblätter für jedes Board, um die richtige Größe für diese Eingangsquelle zu bestimmen), ein 0- bis 500-Volt-Gleichstrommultimeter, eine richtige Ausgangslast (die richtigen Lastgrößen finden Sie in den einzelnen Datenblättern) und einen Lüfter, der den Luftstrom zum Kühlkörper auf dem Board liefert.

Hinweis für Benutzer: Vergewissern Sie sich, dass alle Ein- und Ausgangskabel spannungsfrei sind, bevor Sie elektrische Verbindungen zu den Evaluationstestplatinen herstellen.

Alternative Anwendungen

Diese Serie von AC-Eingangs- bis 28-Volt-Ausgangsversorgungen kann auch in anderen robusten Umgebungen eingesetzt werden, wie z.B. in einer kommerziellen Standardstromversorgung (COTS) für militärische Bodenfahrzeugplattformen oder in Rackmontagesystemen wie VMEbus (Versa Module Europa oder Versa Module Eurocard-Bus). Auch Ionenpumpennetzteile, die z.B. für Elektronenmikroskope verwendet werden, könnten von der PFH500F-Serie profitieren.

Fazit

Die PFH500F-28-Serie ist eine ausgezeichnete Wahl für raue Umgebungen, da sie über grundlegende Eigenschaften verfügt, darunter eine hohe Immunität gegen EMI, RFI und andere Störungen sowie Schock, Vibrationen und extreme Temperaturen, die für die Verwendung einer Standard-Stromversorgung nicht förderlich wären. Darüber hinaus ermöglichen ihre hohe Leistungsdichte, ihr modularer Aufbau und ihre kleine Grundfläche eine kompakte Implementierung der Stromversorgung in einer insgesamt größeren Anwendung.

Die Einbeziehung von PMBus ermöglicht die Selbstdiagnose, Fernüberwachung und Datenkommunikation, die für die erfolgreiche Integration der Stromversorgung in eine IIoT-Anwendung zur vorausschauenden Analyse und Wartung erforderlich sind.

Zusätzliche Ressourcen

1. "Techniken zur Kühlung von Netzteilen und anderen elektronischen Geräten"