השתמשו בממיר הספקת-כוח AC/DC מקוררי-מגע עבור יישומים קשים

ככל שהתקני אלקטרוניקה מתרבים, מתכנני התקני הספקת-כוח ומודולי ממיר AC/DC עבור סביבות קשות מתמודדים עם דרישות ביצועים, סביבה ומארזים מאתגרות יותר ויותר. אמנם תפקידו של מודול ממיר הספקת-כוח המחובר לרשת החשמל לא השתנה מהותית, אך נדרש יותר כדי להפוך אותו לפונקציונלי במלואו בשטח.

ראשית קיימת בעיית קירור, כי אפילו הספקת-כוח יעילה מייצרת חום. בנוסף, המתכננים חייבים להביא בחשבון דרישות חשמל וגורם-צורה ברמת המערכת. לבסוף, הממיר חייב לשלב יכולות המפשטות את התכנון ומגנות על הממיר, המשתמש והעומס מפני אירועים שליליים.

מאמר זה בוחן בקצרה את האתגרים העומדים בפני מתכנני מערכות הספקת-כוח המיועדות עבור סביבות קשות. לאחר מכן הוא מציג את משפחת ממירי AC/DC‏ W‏ 504‏ מקוררים בהולכה-במגע של Advanced Energy‏ ומראה כיצד הם יכולים להתמודד עם אתגרים אלו.

נתחיל עם אתגר הקירור

למעט כמה יוצאים מן הכלל, מתכננים המשלבים ממיר AC/DC במערכת חייבים גם לקבוע כיצד לפזר את החום שנוצר. למרות שהממירים המודרניים יעילים יחסית, בדרך כלל 80% עד 90% ומעלה, עדיין נוצר חום ויש להסירו כדי להבטיח שההספקה לא תתחמם יתר על המידה, ובכך תפגע בביצועים ובאמינות.

הפיזיקה התרמית מראה שישנן שלוש דרכים לפזר את החום הזה (איור 1):

1. הולכה, במגע ישיר בין משטח מוצק למשטח מוצק
2. הסעה, על ידי חומר נע, היכול להיות אוויר או נוזל
3. קרינה, כאנרגיה אלקטרומגנטית (בעיקר אינפרה-אדום), היכולה להתרחש גם בוואקום

איור 1: אנרגיה תרמית יכולה להתפזר על ידי הולכה, הסעה או קרינה. (מקור התמונה: Nuclear Power‏)

קירור מבוסס-קרינה לרוב אינו מספיק עבור מערכות אלקטרוניות, מכיוון שהוא מעביר רק כמות קטנה יחסית של חום. עם זאת, קרינה היא קריטית עבור חלליות שצריכות לפזר את החום שלהן לוואקום של החלל.

מרבית המתכננים מעדיפים להתחיל את אסטרטגיית הקירור שלהם באמצעות הסעה של זרימת אוויר לא-מאולצת (טבעית) או עם זרימת אוויר מאולצת באמצעות מאוורר, כשהאוויר עובר דרך פתחים ופתחי אוורור ביחידת הממיר. שיטת קירור זו היא זולה יחסית וקלה להערכה.

עם זאת, גישת קירור בהסעה אינה כדאית בהתקנות רבות בעולם האמיתי. הממיר חייב להיות בתוך מעטפת הגנת חדירות (IP) אטומה של היישום עבור הגנה מלאה מפני מים, גשם, אבק ומזהמים אחרים. יתר על כן, רוב הממירים הסטנדרטיים אינם מסודרים פיזית או ארוזים לקירור מבוסס-הולכה.

יש צורך בתכן שונה כאשר הקירור חייב להיעשות אך ורק על ידי הולכה תרמית מהמארז של הממיר אל משטח סמוך. זה נקרא לעתים מגע בקירור או קיר קר. תכן המארז של משפחת ממירי הספקת-הכוח Artesyn AIF500‏ של Advanced Energy (איור 2) הוא דוגמה טובה לגישה זו.

איור 2: ממירי הספקת-כוח Artesyn AIF500 משתמשים בקירור במגע או קיר קר. (מקור התמונה: Advanced Energy)

יחידות בפרופיל נמוך אלו מותקנות על לוח מעגלים מודפסים (PC). יש להם חתימת-שטח סטנדרטית בתעשייה של לוחית-בסיס לבנה-מלאה של 4.6 × 2.4 אינץ' (.in‏), גובה של 0.55 אינץ' (116.84 × 60.96 × 13.95 מילימטרים (מ"מ) ומשקל של 9.2 אונקיות (.oz‏) (260 גרם (g‏)).

הם מתוכננים בעיקר עבור דרישות הספקת-כוח RF של אנטנות-רדיו מרוחקות עבור יישומי טלקומוניקציה 5G. הם מתאימים גם עבור צגים ויישומים תעשייתיים. הזמן הממוצע בין תקלות (MTBF) שלהם הוא מעל מיליון שעות.

המודולים מתוכננים עבור קירור-במגע באמצעות לוחית-הבסיס שלהם (איור 3) ויכולים לספק את דירוג ההספק המלא שלהם בתחום טמפרטורות לוחית-בסיס רחב של C‏°‏40‏- עד C‏°‏100‏+.

איור 3: מודולי AIF500 מיועדים לקירור בהולכה באמצעות לוחית-הבסיס שלהם הממוקמת במגע ישיר עם משטח קר יותר. (מקור התמונה: Advanced Energy)

בחירת ממיר הספקת-כוח

הבחירה של כל ממיר הספקת-כוח מתחילה בדרישות הביצועים העיקריות שלו. אלה כוללים את יכולתו לספק מתח יציאה עקבי לעומס למרות שינויים במתח הקו במצב-היציב, טרנזיינטי מתח, שינויים בדרישת העומס ושינויים בטמפרטורת הסביבה.

יחידות AIF500‏ הנתונות במארז סגור במלואו פועלות מ-_AC‏V‏ 90‏ עד _AC‏V‏ 264‏. האפשרויות כוללות את ה-IF42BAC-01N‏ עם יציאה של A‏ 42‏/V‏ 12‏ או A‏ 10.5‏/V‏ 48‏ AIF11WAC-01N‏. הזמן מהאתחול ועד ליציאה מלאה, פרמטר חשוב ביישומים רבים, הוא 3.5 שניות (s‏), בעוד שייצוב הקו הוא 0.2%‏± וייצוב העומס הוא %‏4‏±.

לצד כניסת קו AC‏ בעלת תחום-רחב ויציאת DC‏ מיוצבת-היטב, ממירי AIF500 משלבים גם מאפייני הגנה כגון נעילת תת-מתח (UVLO), הגנת מתח-יתר (OVP) והגנה מפני זרם-יתר (OCP). הגבלת זרם התנעה פנימית ממזערת את המעגלים החיצוניים הדרושים למניעת נזקים מנחשולי זרם אתחול.

בנוסף, הממירים מורשים לעמידה בתקני הבטיחות הרלוונטיים EN, UL, Canada UL, IEC ו-EN 62368-1 ונושאים סימני בטיחות CE ו-UKCA. הם משיגים הרשאות אלו בין היתר הודות למספר דירוגי הבידוד שלהם של _DC‏V‏ 4,000‏ כניסה-ליציאה, _DC‏V‏ 2,500‏ כניסה-ללוחית-הבסיס, ו-_DC‏V‏ 100‏ יציאה-ללוחית-הבסיס.

דרישות רגולטוריות ופרקטיקה הנדסית טובה דורשות מזעור העומס התרמי כדי להשיג פעולה עם נצילות גבוהה. ממירים אלה מציעים נצילות של מעל 90% כאשר הם פועלים בהספק היציאה הנומינלי ומעלה. לדוגמה, ליחידת V‏ 12‏ הפועלת מקו _AC‏V‏ 230‏ יש נצילות גדולה יותר מ-93% בהספק יציאה של W‏ 300‏ ומעלה (איור 4). מעל W‏ 300‏, גורם ההספק (PF‏) עולה על 0.99, אשר עובר את הדרישות רגולטוריות.

איור 4: נצילות המרת ההספק של ה-AIF500 היא גדולה יותר מ-90% כאשר הוא פועל מעל דירוג העומס הבינוני, מפחית את הפיזור התרמי ועונה על דרישות הרגולציה. (מקור התמונה: Advanced Energy)

הוספת מאפיינים ופונקציות ברמת המערכת

הממירים של היום חייבים להציע יכולות מעבר לשני חוטים עבור כניסת AC, שני חוטים עבור יציאת DC ושני מוליכים לחישה-מרחוק. הם גם חייבים להשתלב ברמת המערכת עם חיבורים ופונקציות נוספות.

לדוגמה, לממירי AIF500 יש יציאה ישירה של "יחידה במצב טוב" וכניסה ברמת TTL עבור אפשור מרחוק. כאשר האפשור אינו מופעל, הספק אופן-המתנה הוא W‏ 5‏. אותות דיווח ובקרה אלו הם רק נקודת ההתחלה עבור החיבוריות, שכן הממירים כוללים גם ממשק PMBus.

מאפיינים נוספים כוללים יציאת עזר של מתח-קבוע תמיד-פועל של _DC‏V‏ 8‏ עד _DC‏V‏ 11‏ ב-mA‏ 250‏, התומכת בעומסים קריטיים קטנים.

תצורת ממיר של יחידה אחת דורשת רק מסנן הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) חיצוני, קבל החזקה וקבל יציאה.

עבור יישומים שבהם זרם היציאה של יחידת AIF500 יחידה אינו מספיק, היחידות תומכות בשיתוף זרם אקטיבי, המרחיב את תצורת היחידה הבודדת עד למקסימום של עשר יחידות עם חיברורים פשוטים בין יחידה ליחידה (איור 5). סידור יציאה מקבילית זו מצריך רק תוספת של קבלי החזקה ויציאה עבור היחידה השנייה (ולכל יחידה נוספת); אין צורך ברכיבים אחרים.

איור 5: יחידת AIF500 אחת דורשת רק כמה רכיבים חיצוניים לפעולה (למעלה); ניתן לחבר במקביל בקלות עד 10 יחידות אם יש צורך בזרם יציאה גבוה יותר (למטה). (מקור התמונה: Advanced Energy)

ה-PMBus מאפשר ממשק משתמש גרפי (GUI). ה-GUI מפשט את הבקרה והניטור של מודול או מודולים כאשר המתכננים הם בשלב הפיתוח ובמהלך פריסת היישום. הוא מעניק תובנות לגבי מתחים, זרמים והסטטוס של מדדי הפעולה ונקודות פיזיות עיקריות.

סיכום

ממיר AC/DC חסון מתחיל בתכן סולידי, אך הספקת קירור נאות היא תמיד בעיה, במיוחד בהתקנות חשופות. משפחת הממירים של Artesyn AIF500 במארז סגור במלואו מתוכננת לפעול לפי מפרטים של עד C‏°‏100‏+ בלוחיות-הבסיס שלה באמצעות קירור מגע. יחידות אלו מעניקות ביצועים מעולים וכוללות פונקציות ותכונות נוספות, כגון ממשק PMBus, המאפשרות להן לפעול כממירים תואמים-למערכת ולא רק כמקורות חיוניים של יציאות DC מיוצבות.