Concevoir une alimentation pour environnements difficiles avec les modules d'alimentation PFH500 de TDK-Lambda

Avec la transition vers l'Internet industriel des objets (IIoT) et l'émergence de la 5G, les systèmes électroniques sont déployés dans des applications de plus en plus diversifiées et exigeantes. Pour les concepteurs de ces systèmes, l'accent est mis sur des alimentations capables de répondre à des exigences de fiabilité toujours plus strictes. Pour y répondre, certaines caractéristiques sont essentielles, notamment la robustesse physique et la réduction des interférences électromagnétiques (EMI), tout comme l'intelligence et la connectivité intégrées requises pour assurer un bon fonctionnement dans le nouveau paradigme connecté de l'IIoT.

Dans ce paradigme, les concepteurs peuvent atténuer les effets des temps d'arrêt de l'alimentation et du système grâce à des fonctions d'auto-diagnostic, tout en permettant les mises à jour, les ajustements et la surveillance des performances à distance durant le fonctionnement.

Cet article présente une solution permettant de répondre à ces exigences : la gamme de modules d'alimentation PFH500 de TDK-Lambda. Il explique comment la conception environnementale de l'alimentation, avec l'ajout du protocole PMBus, peut améliorer la survie de l'alimentation et du système, et maintenir les performances dans les environnements d'application les plus difficiles.

Pourquoi utiliser le protocole PMBus ?

En termes de gestion de l'alimentation numérique, le protocole de communication pour la gestion de l'alimentation à norme ouverte PMBus permet d'accomplir beaucoup de choses. Il améliore l'utilisation, les performances et la fiabilité des alimentations. Par exemple, il permet de mesurer et de surveiller différents paramètres de l'alimentation (tension et courant à chaque sortie, température de chaque étage de sortie, état d'alimentation approprié de chaque étage de sortie et état d'activation de sortie de chaque module) sans aucune instrumentation externe (Figure 1).

Figure 1 : Fonctions de communication PMBus utilisées pour surveiller/modifier les paramètres. (Source de l'image : TDK-Lambda)

Les utilisateurs peuvent également anticiper les pannes en effectuant des mesures PMBus en continu avant une panne catastrophique, ce qui est important pour les applications de télécommunications 5G, d'usines intelligentes, de data centers, d'installations à distance ou difficiles d'accès, etc.

Fonctionnalités de l'alimentation PFH500 de TDK-Lambda

La série PFH500F présente une empreinte de 101,6 mm x 60,96 mm (4 x 2,4 pouces) et elle est fournie en format ¾ brique (Figure 2). Elle est capable de fournir 500 watts (W) de puissance et une tension de sortie régulée de 28 volts (V), ajustable de 22,4 V à 33,6 V (±20 %).

Figure 2 : La série PFH500F de convertisseurs de puissance CA/CC est fournie en format ¾ brique et peut délivrer 500 W avec une sortie régulée de 28 V. (Source de l'image : TDK-Lambda)

La conception utilise une seule carte à circuit imprimé multicouche qui ne nécessite pas de substrat métallique isolé, ce qui réduit le bruit de mode commun et élimine les broches d'interconnexion, pour une fiabilité accrue. L'architecture de puissance utilise une technique de correction du facteur de puissance (PFC) sans pont et un redressement synchrone. Des dispositifs de puissance au nitrure de gallium (GaN) sont utilisés pour réduire les pertes et améliorer le rendement, ce qui permet d'atteindre un rendement de 90 % à 92 %, avec une densité de puissance de 100 W/po³. L'alimentation est adaptée à une utilisation mondiale, avec une entrée de 85 à 265 V_CA, 47 à 63 Hertz (Hz).

Connexion de base

La configuration schématique de base avec des composants externes (notamment un filtre EMI d'entrée) est illustrée à la Figure 3.

Figure 3 : Les connexions externes de base pour le module d'alimentation PFH500F incluent un filtre EMI externe côté gauche. (Source de l'image : TDK-Lambda)

Cette alimentation constitue une bonne option pour les environnements difficiles à la fois dans les usines traditionnelles et les usines intelligentes, comme illustré à la Figure 4.

Figure 4 : Le module d'alimentation PFH500F répond à des exigences de test rigoureuses pour les environnements difficiles. (Source de l'image : TDK-Lambda)

Les résultats des tests montrent les valeurs attendues pour réussir ces tests rigoureux, en particulier pour l'immunité aux décharges électrostatiques (DES), aux perturbations radioélectriques (RFI) rayonnées et aux interférences électromagnétiques.

Capacité parallèle de partage de chute

La chute de tension supplémentaire dans une alimentation est proportionnelle à la charge consommée. Lorsque deux alimentations sont connectées pour produire plus de puissance ou pour partager la charge, il convient d'utiliser un modèle à capacité parallèle comme la série PFH500 de TDK-Lambda. La chute de tension supplémentaire est proportionnelle à la charge consommée. Ainsi, lorsque deux alimentations ou plus sont connectées en parallèle, la charge de sortie est partagée entre les alimentations. Si l'une des alimentations en parallèle essaie de fournir davantage de courant, sa sortie chute légèrement et les autres alimentations assurent l'équilibre (Figure 5).

Figure 5 : L'option de partage de courant en mode de chute de la série PFH500 permet à l'alimentation de fonctionner en parallèle avec d'autres alimentations afin de partager la charge. (Source de l'image : TDK-Lambda)

Pour des performances optimales, toutes les alimentations doivent avoir leurs sorties définies sur la même tension. La régulation de charge de la série PFH500 (version 28 V, sans chute) est de 28 mV ou 0,1 % avec V_IN = 115/230 V_CA.

Capacité de refroidissement par conduction par le socle

Le refroidissement par conduction correspond au transfert de la chaleur d'une zone chaude vers une autre zone plus froide par contact direct. Par exemple, le PFH500 présente une surface plate (socle) conçue pour un montage direct sur un dissipateur thermique ou une plaque froide externe qui évacuera la chaleur du dispositif d'alimentation par un contact direct, permettant ainsi de le refroidir (Figure 6).

Figure 6 : Illustration d'un module d'alimentation, comme le PFH500, à refroidissement par conduction avec un dissipateur thermique. (Source de l'image : TDK-Lambda)

Pour en savoir plus sur le refroidissement, consultez le document relatif aux techniques de refroidissement d'alimentations et d'autres dispositifs électroniques.

Autres avantages pour les concepteurs

Le PFH500 offre d'autres avantages aux concepteurs :

• Le boîtier métallique avec enrobage contribue à réduire les émissions rayonnées et améliore la résistance aux chocs et aux vibrations
• Isolement numérique interne (plus fiable que les photocoupleurs)
• Le filtre EMI d'entrée avec protection contre la surtension prévient les erreurs/l'interruption de l'alimentation
• Le circuit et le relais d'appel internes protègent l'alimentation contre les dommages
• La capacité de détection à distance permet un contrôle précis de la tension sur une certaine longueur de câble jusqu'à une charge distante
• La protection interne contre la surchauffe et la surintensité garantit la fiabilité
• La capacité de surveillance VBUS qui protège contre la surtension et la sous-tension garantit un fonctionnement ininterrompu
• Programmation en circuit, par exemple, par un système intelligent
• Les qualifications en matière de normes de sécurité augmentent la fiabilité

Premiers pas avec des cartes d'évaluation

Les cartes d'évaluation sont un plus, car elles permettent d'accélérer la mise sur le marché. Les concepteurs peuvent obtenir des fichiers Gerber pour ces cartes d'évaluation auprès de TDK-Lambda afin d'optimiser la configuration de leur carte dans un système. Par ailleurs, ces fichiers peuvent être chargés dans la configuration de conception à plus grande échelle d'une architecture système.

Il existe trois cartes d'évaluation PFH05W :

• Le kit d'évaluation PFH05W28-1D0-EVK-S1 avec module PFH500F-28-1D0-R
• Le kit d'évaluation PFH05W-001-EVK-S0 sans module d'alimentation
• Le kit d'évaluation PFH05W28-100-EVK-S1 avec module PFH500F-28-100-R

Contenant tous les composants externes nécessaires pour les tests, chacun de ces kits permet de simplifier l'évaluation initiale du module d'alimentation pour accélérer la mise sur le marché. Remarque : un flux d'air externe peut être nécessaire pour refroidir le dissipateur thermique du module lorsqu'il fonctionne avec une charge. Il est possible de commander le dissipateur thermique HS00110 de TDK-Lambda dans des quantités de production (Figure 7).

Figure 7 : Les cartes d'évaluation PFH05W PFH500F permettent d'accélérer la mise sur le marché et de démontrer les performances pour les besoins particuliers d'un concepteur. Un refroidissement externe, comme le dissipateur thermique HS00110 (illustré), peut être ajouté. (Source de l'image : TDK-Lambda)

Ces trois cartes d'évaluation nécessitent une source de tension CA monophasée et ajustable (voir chaque fiche technique pour déterminer la valeur appropriée pour cette source d'entrée), un multimètre de 0 à 500 VCC, une charge de sortie adaptée (voir chaque fiche technique pour déterminer la valeur de charge adaptée), ainsi qu'un ventilateur pour fournir un flux d'air au dissipateur thermique sur la carte.

Remarque destinée aux utilisateurs : assurez-vous de couper l'alimentation de tous les câbles d'entrée et de sortie avant d'établir des connexions électriques avec les cartes d'évaluation.

Applications alternatives

Cette série d'alimentations à entrée CA et à sortie 28 V peut également être utilisée dans d'autres environnements difficiles, comme les alimentations commerciales prêtes à l'emploi (COTS) pour les plateformes de véhicules terrestres militaires, ou les systèmes montés sur rack comme VMEbus (bus Versa Module Europa ou Versa Module Eurocard). Les alimentations à pompe ionique, utilisées dans des applications comme les microscopes électroniques, peuvent également tirer parti de la série PFH500F.

Conclusion

La série PFH500F-28 constitue un excellent choix pour les environnements difficiles en raison de ses caractéristiques fondamentales, notamment sa haute immunité aux interférences électromagnétiques, aux perturbations radioélectriques et à d'autres bruits, ainsi que sa résistance aux chocs, aux vibrations et aux températures extrêmes, autant d'éléments qui écartent l'utilisation d'une alimentation standard. En outre, la densité de puissance élevée, la conception modulaire et la faible empreinte de cette série permettent l'implémentation d'une alimentation compacte dans une application globale plus grande.

L'inclusion du protocole PMBus permet l'auto-diagnostic, la surveillance à distance et la communication de données nécessaires à l'intégration réussie de l'alimentation dans une application d'analyse et de maintenance préventives IIoT.

Ressource supplémentaire

1. "Techniques for Cooling Power and Other Electronic Devices"