eng
Выпуск #1/1998
В. Колосов.
Организация систем вторичного электропитания для современной цифровой электронной аппаратуры
Организация систем вторичного электропитания для современной цифровой электронной аппаратуры
Просмотры: 2558
При построении перспективных отечественных систем вторичного электропитания (СВЭП) с выходной мощностью от сотен ватт до единиц киловатт и выходным постоянным напряжением от 3 до 30 В, предназначенных для вычислительной техники военного и промышленного назначения, необходимо учитывать следующие требования и рекомендации.
Формирование выходной электроэнергии заданного качества.
Это требование в большинстве СВЭП выполняют путем достижения следующих показателей выходного напряжения: суммарная статическая нестабильность из-за основных дестабилизирующих воздействий (изменение напряжения первичной сети, тока нагрузки, температуры корпусов радиокомпонентов) – не выше 1–3%; коэффициент пульсации – не более 0,5–1%; выбросы и провалы относительно номинального значения выходного напряжения при импульсных изменениях тока нагрузки – в пределах 1–3%; пределы перерегулирования при включении СВЭП – 1–3%. Получить такие показатели можно с помощью современной схемотехники, причем без особых затруднений [1].
Отдельную проблему при некоторых условиях эксплуатации составляет наличие в первичной сети высокочастотных высоковольтных импульсов, которые способны вывести из строя или вызвать сбой как СВЭП, так и цифровой аппаратуры. Эти импульсы могут иметь амплитуду свыше 1000 В при длительности около 2 мс и фронте около 10 мкс, а также амплитуду ниже 600 В при длительности около 1 мкс и фронте около 0,1 мкс. Для борьбы с такими импульсами, помимо установки традиционных высокочастотных сетевых фильтров, рекомендуется использовать полупроводниковые ограничители напряжения (ПОН), снижающие импульсы до уровня ограничения. Промышленность США и других западных стран выпускает тысячи разновидностей ПОН. В СНГ наибольших успехов в производстве ПОН добилась фирма “Кварк” (Ташкент). В содружестве с московским ОАО “Вычислительная техника и промышленная электроника” она разработала и наладила выпуск силовых микросборок типа ЗА с ПОН и светодиодами для индикации состояния ПОН. Индикация способствует оперативной замене ПОН при выходе его из строя из-за воздействия импульсов мощностью, превышающей допустимое значение [2].
В обеспечении качества выходного напряжения при значительно более низком, чем предусмотрено стандартами, качестве электроэнергии первичной сети есть и другие проблемы. Выбросы и провалы сетевого напряжения в реальных сетях значительно превышают +10...–15% от номинального значения. Их длительность составляет от части периода до нескольких периодов или от долей секунды и более. В первом случае необходимо использовать сетевой стабилизатор напряжения (ССН), а во втором – устройства бесперебойного питания (УБП) с аккумуляторной поддержкой. В разработке и производстве ССН и УБП существенных успехов добилось ОАО “Научно-исследовательский институт вычислительной техники” (Пенза), создающее свои устройства на базе параметрического трансформатора. Диапазон выходных мощностей ССН и УБП – от 100 до 1000 Вт, первичные сети – одно- и трехфазные, 50 и 400 Гц [3].
Обеспечение необходимых показателей надежности. Для рассматриваемых СВЭП наработка на отказ должна составлять 100 тыс. часов и более. Этого можно достичь традиционными методами резервирования ИВЭП внутри СВЭП в сочетании с развитой подсистемой контроля за рядом параметров ИВЭП. Для улучшения объемно-массовых и стоимостных параметров СВЭП целесообразно применять достаточно большое число маломощных ИВЭП (в виде типовых элементов замены – ТЭЗ), включаемых параллельно с избыточностью, как правило, не превышающей 10–20% [4].
Подсистема контроля информирует о выходе из строя отдельных ИВЭП, включенных параллельно. Замену неисправных ИВЭП можно производить как во время профилактического ремонта, так и в процессе эксплуатации, т.е. без выключения СВЭП. Последний способ позволяет снизить избыточность ИВЭП при неизменной надежности СВЭП. Подсистему контроля необходимо периодически тестировать [5].
Принципы обеспечения требуемых показателей надежности СВЭП разработаны и опробованы специалистами ОАО “Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов” (Москва).
Получение объемно-массовых показателей и КПД, приемлемых для данного класса электронной аппаратуры. Это требование необходимо рассматривать в совокупности с аппаратурой, для которой проектируется СВЭП, а также с учетом ряда других требований. Хотя с помощью принудительного обдува или развитой системы кондуктивного теплообмена и при определенных значениях КПД можно достичь “рекордных” объемно-массовых показателей, стремиться к этому не следует. Почти в любой аппаратуре возможны режимы, когда комфортные условия теплообмена какое-то время не соблюдаются.
Унификация схемотехнических и конструктивно-технологических решений.
Требование унификации схемотехнических решений общеизвестно. В отношении конструктивно-технологических решений можно рекомендовать использование унифицированных плоских модулей (ПМ) источников питания с выходной мощностью от 5 до 250 Вт как основы для построения СВЭП рассматриваемого класса. Применение ИВЭП с шириной передней панели около 20 мм, подобных по конструкции цифровым ячейкам, целесообразно и перспективно [6].
Научно-производственный концерн “Александер и Пауэл” осваивает серийное производство ПМ широкой номенклатуры. Они будут проходить проверку и электротермотренировку на высокопроизводительном автоматизированном стендовом оборудовании.
Соответствие климатическим и механическим условиям эксплуатации, хранения и транспортировки.
Это требование легко выполнить при построении СВЭП на ИВЭП, разработанных на основе ПМ. Герметизированные ПМ выдерживают жесткие условия эксплуатации, хранения и транспортировки.
Минимизация стоимости СВЭП.
Это требование, как правило, входит в противоречие с требованиями обеспечения качества электроэнергии и надежности СВЭП, миниатюризации СВЭП, а также соответствия жестким условиям эксплуатации. Выполнение требования унификации, напротив, обеспечивает значительные резервы по снижению стоимости СВЭП, ИВЭП, ПМ при их крупносерийном выпуске.
В заключение следует отметить, что для обеспечения высоких показателей надежности СВЭП при удовлетворительных объемно-массовых параметрах необходимо использовать горячее резервирование ИВЭП с небольшой избыточностью. Параметры СВЭП должна проверять внутренняя развитая подсистема контроля. Для минимально необходимой защиты СВЭП от высоковольтных высокочастотных импульсов в первичной сети следует применять силовые микросборки с полупроводниковыми ограничителями напряжения. В зависимости от качества электроэнергии первичной сети может потребоваться установка сетевых стабилизаторов напряжения или устройств бесперебойного питания.
Использование плоских модулей питания позволяет унифицировать СВЭП и организовать крупносерийное производство ИВЭП невысокой стоимости. Такие ИВЭП выдерживают жесткие условия эксплуатации, хранения и транспортировки.
Литература
1.Колосов В.А. Электропитание стационарной РЭА. Теория и практика проектирования. – М.: Радио и связь, 1992.
2. Колосов В.А., Муратов А.Ф. Силовая микросборка полупроводниковых ограничителей напряжения. – Электроника и компоненты, 1997, N5.
3. Агафонов А.И. Исследование характеристик параметрического трансформатора параллельного типа. – Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВМ, 1989, вып.11.
4. Колосов В.А., Лохвицкий М.С., Шадрин А.П. Расчет выходной мощности параллельно включаемых ИВЭП в суперЭВМ. – Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВМ, 1988, вып.12.
5. Гаврилин Н.И., Колосов В.А. Вопросы повышения надежности систем вторичного электропитания больших ЭВМ. – Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВМ, 1987, вып.13.
6. Колосов В.А. Конструирование высокочастотных конверторов средней мощности. – Труды I Всесоюзной НТК “Силовые электронные системы и устройства маломощной преобразовательной техники”, ч.2, Алма-Ата, 1990.
Дополнительную информацию может предоставить НТФ “Энергетическая электроника”. Фонд поставляет предлагаемые изделия, а также принимает заказы на разработку и производство устройств и систем энергетической электроники.
Адрес для переписки:
119517 Москва, а/я 5.
Тел. 330–0638, факс 330–5630,
e-mail ENEL@GLASNET.RU
Предлагаемые изделия
Силовая микросборка ограничителей напряжения с индикацией их состояния типа ЗА–О
Назначение микросборки. Защита аппаратуры от высоковольтных высокочастотных импульсов в сети 220 В путем снижения до безопасного уровня присутствующих в сети импульсов с амплитудой 1–2 кВ и более. Микросборку включают на входе блока питания аппаратуры. Она содержит светодиод зеленого свечения, который излучает в рабочем состоянии микросборки при подаче сетевого напряжения, и два светодиода красного свечения, излучающие в случае выхода из строя микросборки.
Основные параметры. Напряжение ограничения импульсов +(400+20)В; максимальная рассеиваемая импульсная мощность – 1,5 кВт; длительность и фронт ограничиваемых импульсов – от десятков наносекунд до единиц миллисекунд; мощность, потребляемая микросборкой при отсутствии ограничиваемых импульсов, – не выше 0,5 Вт; сила света индикаторов состояния микросборки (светодиодов) – не менее 0,5 мкд; габариты герметичного пластмассового корпуса – не более 32х12х10 мм; масса – не более 10 г. Микросборку можно монтировать внутри аппаратуры (вариант ЗА–О), включать в сетевые розетки или тройники (вариант ЗА–О1), конструктивно размещать в тройнике.
Силовая микросборка ограничителей напряжения с индикацией их состояния типа ЗА–ОП
Назначение микросборки. Защищает аппаратуру от высоковольтных высокочастотных импульсов в цепи постоянного тока путем снижения до безопасного уровня импульсов с амплитудой в сотни вольт, присутствующих в низковольтных цепях питания интегральных микросхем. Микросборку включают в цепь питания с постоянным напряжением от 3 до 300 В. Она содержит светодиод зеленого свечения, который излучает в рабочем состоянии микросборки при подаче напряжения питания и прекращает излучение в случае выхода из строя ограничителей напряжения, входящих в микросборку.
Основные параметры. Напряжения ограничения импульсов для различных вариантов ЗА–ОП – 5, 7, 15, 18, 32, 70, 130, 260, 350 В; соответствующие им значения напряжения цепи питания – 3, 5, 12, 15, 27, 60, 110, 220, 300 В; разброс значений напряжения ограничения – +5%; максимальная рассеиваемая импульсная мощность – 1,5 кВт; длительность и фронт ограничиваемых импульсов – от десятков наносекунд до десятков миллисекунд; мощность, потребляемая микросборкой при отсутствии ограничиваемых импульсов, – не более произведения напряжения цепи питания на ток светодиода (3 мА); сила света светодиода в рабочем состоянии микросборки – не менее 0,5 мкд; габариты герметичного пластмассового корпуса – не более 32х12х10 мм; масса – не более 10 г. Микросборку устанавливают на передней панели устройства вблизи защищаемых элементов схемы.
Микросборки этих типов выпускает ОАО “Вычислительная техника и промышленная электроника”. Предприятие производит разовую бесплатную замену микросборок типа ЗА–О и ЗА–ОП. В случае повторного выхода из строя микросборки оно может обследовать сеть и цепи питания у потребителя и предоставить при необходимости более мощные микросборки ограничителей напряжения.
Это требование в большинстве СВЭП выполняют путем достижения следующих показателей выходного напряжения: суммарная статическая нестабильность из-за основных дестабилизирующих воздействий (изменение напряжения первичной сети, тока нагрузки, температуры корпусов радиокомпонентов) – не выше 1–3%; коэффициент пульсации – не более 0,5–1%; выбросы и провалы относительно номинального значения выходного напряжения при импульсных изменениях тока нагрузки – в пределах 1–3%; пределы перерегулирования при включении СВЭП – 1–3%. Получить такие показатели можно с помощью современной схемотехники, причем без особых затруднений [1].
Отдельную проблему при некоторых условиях эксплуатации составляет наличие в первичной сети высокочастотных высоковольтных импульсов, которые способны вывести из строя или вызвать сбой как СВЭП, так и цифровой аппаратуры. Эти импульсы могут иметь амплитуду свыше 1000 В при длительности около 2 мс и фронте около 10 мкс, а также амплитуду ниже 600 В при длительности около 1 мкс и фронте около 0,1 мкс. Для борьбы с такими импульсами, помимо установки традиционных высокочастотных сетевых фильтров, рекомендуется использовать полупроводниковые ограничители напряжения (ПОН), снижающие импульсы до уровня ограничения. Промышленность США и других западных стран выпускает тысячи разновидностей ПОН. В СНГ наибольших успехов в производстве ПОН добилась фирма “Кварк” (Ташкент). В содружестве с московским ОАО “Вычислительная техника и промышленная электроника” она разработала и наладила выпуск силовых микросборок типа ЗА с ПОН и светодиодами для индикации состояния ПОН. Индикация способствует оперативной замене ПОН при выходе его из строя из-за воздействия импульсов мощностью, превышающей допустимое значение [2].
В обеспечении качества выходного напряжения при значительно более низком, чем предусмотрено стандартами, качестве электроэнергии первичной сети есть и другие проблемы. Выбросы и провалы сетевого напряжения в реальных сетях значительно превышают +10...–15% от номинального значения. Их длительность составляет от части периода до нескольких периодов или от долей секунды и более. В первом случае необходимо использовать сетевой стабилизатор напряжения (ССН), а во втором – устройства бесперебойного питания (УБП) с аккумуляторной поддержкой. В разработке и производстве ССН и УБП существенных успехов добилось ОАО “Научно-исследовательский институт вычислительной техники” (Пенза), создающее свои устройства на базе параметрического трансформатора. Диапазон выходных мощностей ССН и УБП – от 100 до 1000 Вт, первичные сети – одно- и трехфазные, 50 и 400 Гц [3].
Обеспечение необходимых показателей надежности. Для рассматриваемых СВЭП наработка на отказ должна составлять 100 тыс. часов и более. Этого можно достичь традиционными методами резервирования ИВЭП внутри СВЭП в сочетании с развитой подсистемой контроля за рядом параметров ИВЭП. Для улучшения объемно-массовых и стоимостных параметров СВЭП целесообразно применять достаточно большое число маломощных ИВЭП (в виде типовых элементов замены – ТЭЗ), включаемых параллельно с избыточностью, как правило, не превышающей 10–20% [4].
Подсистема контроля информирует о выходе из строя отдельных ИВЭП, включенных параллельно. Замену неисправных ИВЭП можно производить как во время профилактического ремонта, так и в процессе эксплуатации, т.е. без выключения СВЭП. Последний способ позволяет снизить избыточность ИВЭП при неизменной надежности СВЭП. Подсистему контроля необходимо периодически тестировать [5].
Принципы обеспечения требуемых показателей надежности СВЭП разработаны и опробованы специалистами ОАО “Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов” (Москва).
Получение объемно-массовых показателей и КПД, приемлемых для данного класса электронной аппаратуры. Это требование необходимо рассматривать в совокупности с аппаратурой, для которой проектируется СВЭП, а также с учетом ряда других требований. Хотя с помощью принудительного обдува или развитой системы кондуктивного теплообмена и при определенных значениях КПД можно достичь “рекордных” объемно-массовых показателей, стремиться к этому не следует. Почти в любой аппаратуре возможны режимы, когда комфортные условия теплообмена какое-то время не соблюдаются.
Унификация схемотехнических и конструктивно-технологических решений.
Требование унификации схемотехнических решений общеизвестно. В отношении конструктивно-технологических решений можно рекомендовать использование унифицированных плоских модулей (ПМ) источников питания с выходной мощностью от 5 до 250 Вт как основы для построения СВЭП рассматриваемого класса. Применение ИВЭП с шириной передней панели около 20 мм, подобных по конструкции цифровым ячейкам, целесообразно и перспективно [6].
Научно-производственный концерн “Александер и Пауэл” осваивает серийное производство ПМ широкой номенклатуры. Они будут проходить проверку и электротермотренировку на высокопроизводительном автоматизированном стендовом оборудовании.
Соответствие климатическим и механическим условиям эксплуатации, хранения и транспортировки.
Это требование легко выполнить при построении СВЭП на ИВЭП, разработанных на основе ПМ. Герметизированные ПМ выдерживают жесткие условия эксплуатации, хранения и транспортировки.
Минимизация стоимости СВЭП.
Это требование, как правило, входит в противоречие с требованиями обеспечения качества электроэнергии и надежности СВЭП, миниатюризации СВЭП, а также соответствия жестким условиям эксплуатации. Выполнение требования унификации, напротив, обеспечивает значительные резервы по снижению стоимости СВЭП, ИВЭП, ПМ при их крупносерийном выпуске.
В заключение следует отметить, что для обеспечения высоких показателей надежности СВЭП при удовлетворительных объемно-массовых параметрах необходимо использовать горячее резервирование ИВЭП с небольшой избыточностью. Параметры СВЭП должна проверять внутренняя развитая подсистема контроля. Для минимально необходимой защиты СВЭП от высоковольтных высокочастотных импульсов в первичной сети следует применять силовые микросборки с полупроводниковыми ограничителями напряжения. В зависимости от качества электроэнергии первичной сети может потребоваться установка сетевых стабилизаторов напряжения или устройств бесперебойного питания.
Использование плоских модулей питания позволяет унифицировать СВЭП и организовать крупносерийное производство ИВЭП невысокой стоимости. Такие ИВЭП выдерживают жесткие условия эксплуатации, хранения и транспортировки.
Литература
1.Колосов В.А. Электропитание стационарной РЭА. Теория и практика проектирования. – М.: Радио и связь, 1992.
2. Колосов В.А., Муратов А.Ф. Силовая микросборка полупроводниковых ограничителей напряжения. – Электроника и компоненты, 1997, N5.
3. Агафонов А.И. Исследование характеристик параметрического трансформатора параллельного типа. – Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВМ, 1989, вып.11.
4. Колосов В.А., Лохвицкий М.С., Шадрин А.П. Расчет выходной мощности параллельно включаемых ИВЭП в суперЭВМ. – Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВМ, 1988, вып.12.
5. Гаврилин Н.И., Колосов В.А. Вопросы повышения надежности систем вторичного электропитания больших ЭВМ. – Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВМ, 1987, вып.13.
6. Колосов В.А. Конструирование высокочастотных конверторов средней мощности. – Труды I Всесоюзной НТК “Силовые электронные системы и устройства маломощной преобразовательной техники”, ч.2, Алма-Ата, 1990.
Дополнительную информацию может предоставить НТФ “Энергетическая электроника”. Фонд поставляет предлагаемые изделия, а также принимает заказы на разработку и производство устройств и систем энергетической электроники.
Адрес для переписки:
119517 Москва, а/я 5.
Тел. 330–0638, факс 330–5630,
e-mail ENEL@GLASNET.RU
Предлагаемые изделия
Силовая микросборка ограничителей напряжения с индикацией их состояния типа ЗА–О
Назначение микросборки. Защита аппаратуры от высоковольтных высокочастотных импульсов в сети 220 В путем снижения до безопасного уровня присутствующих в сети импульсов с амплитудой 1–2 кВ и более. Микросборку включают на входе блока питания аппаратуры. Она содержит светодиод зеленого свечения, который излучает в рабочем состоянии микросборки при подаче сетевого напряжения, и два светодиода красного свечения, излучающие в случае выхода из строя микросборки.
Основные параметры. Напряжение ограничения импульсов +(400+20)В; максимальная рассеиваемая импульсная мощность – 1,5 кВт; длительность и фронт ограничиваемых импульсов – от десятков наносекунд до единиц миллисекунд; мощность, потребляемая микросборкой при отсутствии ограничиваемых импульсов, – не выше 0,5 Вт; сила света индикаторов состояния микросборки (светодиодов) – не менее 0,5 мкд; габариты герметичного пластмассового корпуса – не более 32х12х10 мм; масса – не более 10 г. Микросборку можно монтировать внутри аппаратуры (вариант ЗА–О), включать в сетевые розетки или тройники (вариант ЗА–О1), конструктивно размещать в тройнике.
Силовая микросборка ограничителей напряжения с индикацией их состояния типа ЗА–ОП
Назначение микросборки. Защищает аппаратуру от высоковольтных высокочастотных импульсов в цепи постоянного тока путем снижения до безопасного уровня импульсов с амплитудой в сотни вольт, присутствующих в низковольтных цепях питания интегральных микросхем. Микросборку включают в цепь питания с постоянным напряжением от 3 до 300 В. Она содержит светодиод зеленого свечения, который излучает в рабочем состоянии микросборки при подаче напряжения питания и прекращает излучение в случае выхода из строя ограничителей напряжения, входящих в микросборку.
Основные параметры. Напряжения ограничения импульсов для различных вариантов ЗА–ОП – 5, 7, 15, 18, 32, 70, 130, 260, 350 В; соответствующие им значения напряжения цепи питания – 3, 5, 12, 15, 27, 60, 110, 220, 300 В; разброс значений напряжения ограничения – +5%; максимальная рассеиваемая импульсная мощность – 1,5 кВт; длительность и фронт ограничиваемых импульсов – от десятков наносекунд до десятков миллисекунд; мощность, потребляемая микросборкой при отсутствии ограничиваемых импульсов, – не более произведения напряжения цепи питания на ток светодиода (3 мА); сила света светодиода в рабочем состоянии микросборки – не менее 0,5 мкд; габариты герметичного пластмассового корпуса – не более 32х12х10 мм; масса – не более 10 г. Микросборку устанавливают на передней панели устройства вблизи защищаемых элементов схемы.
Микросборки этих типов выпускает ОАО “Вычислительная техника и промышленная электроника”. Предприятие производит разовую бесплатную замену микросборок типа ЗА–О и ЗА–ОП. В случае повторного выхода из строя микросборки оно может обследовать сеть и цепи питания у потребителя и предоставить при необходимости более мощные микросборки ограничителей напряжения.
Отзывы читателей
