Progettare l'alimentazione per ambienti difficili utilizzando i moduli PFH500 di TDK-Lambda

La diffusione di Internet delle cose industriale (IIoT) e l'emergere del protocollo 5G hanno portato all'impiego dei sistemi elettronici in applicazioni sempre più diverse e impegnative. I progettisti di questi sistemi cercano alimentatori che soddisfino requisiti di affidabilità sempre più elevati. Per rispondere a queste esigenze di affidabilità, sono fondamentali caratteristiche quali la robustezza fisica e la riduzione delle interferenze elettromagnetiche (EMI), l'intelligenza incorporata e la connettività necessarie per operare all'interno del nuovo paradigma di connessione IIoT.

In questo quadro, i progettisti possono ridurre gli effetti dell'interruzione dell'alimentazione e dei tempi di inattività del sistema tramite l'autodiagnosi e, allo stesso tempo, consentire aggiornamenti, regolazioni e monitoraggio a distanza delle prestazioni durante il funzionamento.

Questo articolo offre una risposta a tali requisiti: la linea dei moduli di alimentazione PFH500 di TDK-Lambda. Mostra come la progettazione ambientale dell'alimentatore, con l'aggiunta del protocollo PMBus, può migliorare l'alimentazione e la durata del sistema e mantenerne le prestazioni anche negli ambienti applicativi più difficili.

Perché usare il protocollo PMBus?

Il protocollo con standard aperto di comunicazione PMBus può essere di grande aiuto nella gestione digitale dell'alimentazione. Migliora infatti l'utilizzo, le prestazioni e l'affidabilità degli alimentatori. Ad esempio, senza strumentazione esterna, consente di misurare e monitorare vari parametri di alimentazione, come la tensione e la corrente su ogni uscita, la temperatura di ogni stadio di uscita, lo stato corretto di potenza di ogni stadio di uscita e lo stato di abilitazione dell'uscita di ogni modulo (Figura 1).

Figura 1: Grafico delle funzioni di comunicazione PMBus utilizzate per monitorare/cambiare i parametri. (Immagine per gentile concessione di TDK-Lambda)

Grazie alle misurazioni continue PMBus, gli utenti possono anche prevedere quando si verificherà un guasto prima che assuma proporzioni catastrofiche, una capacità importante per le applicazioni che interessano le telecomunicazioni 5G, le fabbriche intelligenti, i data center, le postazioni remote/difficili da raggiungere e altro.

Caratteristiche dell'alimentatore PFH500 di TDK-Lambda

La serie PFH500F ha un ingombro di 10,16x6,10 cm in un formato three-quarter brick (Figura 2). Può erogare 500 W di potenza con una tensione di uscita regolata di 28 V impostabile tra 22,4 e 33,6 V (±20%).

Figura 2: La serie PFH500F di convertitori di potenza c.a./c.c. ha un fattore di forma three-quarter brick e può erogare 500 W con una tensione di uscita regolata di 28 V. (Immagine per gentile concessione di TDK-Lambda)

Il progetto utilizza solo una scheda multistrato senza bisogno di un substrato metallico isolato. Questo riduce il rumore di modo comune ed elimina i pin di interconnessione, aumentando di conseguenza l'affidabilità. L'architettura utilizza una tecnica di correzione del fattore di potenza (PFC) senza ponte e il raddrizzamento sincrono. Per ridurre le perdite e aumentare l'efficienza - che può arrivare al 90-92%, con una densità di potenza di 6 W/cm³ - vengono usati dispositivi di alimentazione al nitruro di gallio (GaN). L'alimentazione può essere usata in qualsiasi regione, con un ingresso da 47 a 63 Hz, tra 85 e 265 V_c.a..

Connessione di base

Nella Figura 3 viene mostrato il layout schematico di base con componenti esterni, compreso un filtro EMI in ingresso esterno.

Figura 3: I collegamenti esterni di base per il modulo di alimentazione PFH500F includono un filtro EMI esterno sul lato sinistro. (Immagine per gentile concessione di TDK-Lambda)

Questo alimentatore è una buona scelta per ambienti difficili sia nelle fabbriche tradizionali che in quelle intelligenti, come mostrato nella Figura 4.

Figura 4: Il modulo di alimentazione PFH500F soddisfa i rigorosi requisiti di test per ambienti difficili (Immagine per gentile concessione di TDK-Lambda)

I risultati mostrano le soglie a cui i test rigorosi sono considerati superati, specie riguardo le scariche elettrostatiche (ESD), le interferenze in radiofrequenza irradiate (RFI) e l'immunità alle interferenze elettromagnetiche.

Alimentatori in parallelo per far fronte e condividere abbassamenti di tensione

La caduta di tensione - o abbassamento - supplementare in un alimentatore è proporzionale al carico assorbito. Quando si devono collegare fra loro due alimentatori per produrre più potenza o per condividere il carico, si dovrebbe usare un modello con capacità di parallelizzazione come PFH500 di TDK-Lambda. La caduta di tensione supplementare è proporzionale al carico assorbito, così che quando due o più alimentatori sono collegati in parallelo il carico in uscita venga condiviso tra di essi. Se uno degli alimentatori in parallelo cerca di fornire più corrente, la sua uscita si abbasserà leggermente e gli altri alimentatori la bilanceranno (Figura 5).

Figura 5: L'opzione di condivisione della corrente in modalità di abbassamento di tensione di PFH500 gli consente di lavorare in parallelo con altri alimentatori per condividere il carico. (Immagine per gentile concessione di TDK-Lambda)

Per ottimizzare le prestazioni, le uscite di tutti gli alimentatori dovrebbero essere impostate sulla stessa tensione. La regolazione del carico (senza caduta di tensione) di PFH500 (versione a 28 V) è di 28 mV, o 0,1%, con V_IN = 115/230 V_c.a..

Capacità di raffreddamento per conduzione della piastra base

Il raffreddamento per conduzione è il trasferimento di calore da un'area calda a un'altra più fredda per contatto diretto. Ad esempio, il modulo PFH500 ha una superficie piatta (piastra di base) progettata per essere montata direttamente su un dissipatore di calore esterno o su una piastra fredda che allontanerà il calore dal dispositivo di alimentazione per contatto diretto, raffreddandolo (Figura 6).

Figura 6: Viene mostrato un modulo di alimentazione, come PFH500, raffreddato per conduzione tramite un dissipatore di calore (Immagine per gentile concessione di TDK-Lambda)

Per maggiori dettagli sul raffreddamento, vedere "Tecniche per il raffreddamento degli alimentatori e di altri dispositivi elettronici".

Altri vantaggi per i progettisti

PFH500 offre altri vantaggi per i progettisti, tra cui:

• L'involucro metallico rivestito con incapsulamento aiuta a ridurre le emissioni irradiate e migliora la resistenza a urti e vibrazioni
• Isolamento digitale interno (l'optoisolamento non è molto affidabile)
• Il filtro EMI sull'ingresso con protezione dai picchi transitori previene errori/disrupzione dell'alimentazione
• Il relè di corrente di inserzione e il circuito interno proteggono l'alimentazione da eventuali danni
• La capacità di rilevamento remoto consente di controllare accuratamente la tensione su un cavo fino a un carico remoto
• La protezione interna da sovratemperatura e sovracorrente garantisce l'affidabilità
• La capacità di monitoraggio VBUS protegge da sovratensione e sottotensione e garantisce un funzionamento ininterrotto
• Programmazione in-circuit, ad esempio tramite un sistema intelligente
• Le certificazioni degli standard di sicurezza aumentano l'affidabilità

Come iniziare a utilizzare le schede di valutazione

Le schede di valutazione per l'esecuzione dei test sono molto utili, in quanto accelerano il time-to-market. I progettisti potranno ottenere da TDK-Lambda i file Gerber per ottimizzare il layout di queste schede di valutazione in un sistema e integrarlo nel layout di progettazione allargato di un'architettura di sistema.

Esistono tre schede di valutazione di test PFH05W:

• Kit di valutazione PFH05W28-1D0-EVK-S1 con modulo PFH500F-28-1D0-R
• Kit di valutazione PFH05W-001-EVK-S0 senza modulo di alimentazione
• Kit di valutazione PFH05W28-100-EVK-S1 con modulo PFH500F-28-100-R

Ognuna di queste schede contribuisce a semplificare la valutazione iniziale del modulo di alimentazione per accelerare il time-to-market, in quanto contiene tutti i componenti esterni necessari per i test. Nota: per raffreddare il dissipatore di calore del modulo quando questo alimenta un carico può essere necessario un flusso d'aria esterno. Il dissipatore di calore HS00110 di TDK-Lambda può essere ordinato in quantità di produzione (Figura 7).

Figura 7: Le schede di valutazione PFH05W PFH500F accelerano il time-to-market e dimostrano le prestazioni per le esigenze specifiche di un progettista. È possibile aggiungere il raffreddamento esterno, come il dissipatore di calore HS00110 (in figura). (Immagine per gentile concessione di TDK-Lambda)

Queste tre schede di valutazione avranno bisogno di una sorgente di tensione c.a. monofase, regolabile (per stabilire la dimensione adeguata per questa sorgente di ingresso, vedere le schede tecniche separate per ogni scheda di valutazione), un multimetro c.c. da 0 a 500 V, un carico in uscita adeguato (per le dimensioni di carico adeguate vedere le singole schede tecniche) e una ventola per fornire il flusso d'aria al dissipatore di calore sulla scheda.

Nota per gli utenti: prima di effettuare i collegamenti elettrici alle schede di valutazione, assicurarsi che tutti i cavi di ingresso e di uscita siano senza potenziale.

Applicazioni alternative

Questa serie di alimentatori con ingresso c.a. fino a 28 V in uscita può essere utilizzata anche in altri ambienti difficili come un alimentatore commerciale di serie (COTS) per piattaforme di veicoli militari di terra o sistemi montati a rack come VMEbus (bus Versa Module Europa o Versa Module Eurocard). Anche gli alimentatori per pompe ioniche, che vengono utilizzati ad esempio per i microscopi elettronici, potrebbero trarre vantaggio dalla serie PFH500F.

Conclusione

Grazie alle sue caratteristiche di rilievo - come l'elevata immunità alle interferenze elettromagnetiche, RFI e ad altri disturbi, nonché resistenza a urti, vibrazioni e temperature estreme - la serie PFH500F-28 è un'ottima scelta per ambienti difficili che non consentirebbero l'utilizzo di un alimentatore standard. Inoltre, l'elevata densità di potenza, il design modulare e l'ingombro ridotto di queste schede consentono un'implementazione compatta dell'alimentatore in un'applicazione complessivamente più estesa.

L'inclusione di PMBus permette l'autodiagnosi, il monitoraggio remoto e la comunicazione dei dati necessari per integrare correttamente l'alimentatore in un'applicazione di manutenzione e analisi predittiva IIoT.

Altre risorse

1. "Tecniche per il raffreddamento degli alimentatori e di altri dispositivi elettronici"