TDK-Lambda의 PFH500 전력 모듈을 사용하여 열악한 환경용 전력 설계

산업용 사물 인터넷(IIoT)으로의 전환과 5G의 등장으로 전자 시스템이 점점 더 다양하고 까다로운 응용 분야에서 배포되고 있습니다. 시스템 설계자는 점점 강화되는 신뢰성에 대한 요구 사항을 충족하는 전원 공급 장치에 중점을 두고 있습니다. 신뢰성 요구를 충족하려면 물리적 견고성과 전자파 장해(EMI) 완화와 같은 특성과 새로운 IIoT 연결 패러다임 내에서 수행하는 데 필요한 내장 인텔리전스 및 연결성이 중요합니다.

이 패러다임 하에서 설계자는 자체 진단을 통해 전원 공급 장치 및 시스템 다운타임의 영향을 완화하고, 운영 중에 원격 업데이트, 조정 및 성능 모니터링을 수행할 수 있습니다.

이 기사에서는 TDK-Lambda의 PFH500 전원 공급 장치 모듈 라인 형태로 이러한 요구 사항에 대한 솔루션을 소개합니다. 또한 PMBus와 함께 전원 공급 장치의 환경 설계가 전원 공급 장치 및 시스템 존속을 얼마나 개선하고 최악의 응용 환경에서 어떻게 성능을 유지할 수 있는지를 보여줍니다.

PMBus를 사용하는 이유?

디지털 전력 관리를 위한 PMBus 개방형 표준 전력 관리 통신 프로토콜을 사용하여 많은 작업을 수행할 수 있습니다. 이 프로토콜은 전원 공급 장치의 사용을 개선하고 성능과 신뢰성을 향상시킵니다. 예를 들어, 외부 계측 기기를 사용하지 않고 각 출력의 전압 및 전류, 각 출력 단계의 온도, 각 출력 단계의 전력 양호 상태, 각 모듈의 출력 활성화 상태와 같은 다양한 전원 공급 장치 파라미터를 측정 및 모니터링할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 파라미터를 모니터링/변경하는 데 사용되는 PMBus 통신 기능 (이미지 출처: TDK-Lambda)

또한 사용자는 지속적인 PMBus 측정을 통해 심각한 고장이 발생하기 이전에 고장이 발생할 시기를 예측할 수 있습니다. 이는 이동 통신 5G, 스마트 공장, 데이터 센터, 원격/접근이 어려운 위치 등에 사용되는 응용 제품에 중요한 기능입니다.

TDK-Lambda의 PFH500 전원 공급 장치 특징

PFH500F 계열은 실장 면적이 4인치 x 2.4인치이고 ¾ 브릭 형식으로 제공됩니다(그림 2). 또한 조정된 28V 출력 전압(22.4V ~ 33.6V(±20%) 내에서 조정 가능)에서 500W의 전력을 제공할 수 있습니다.

그림 2: PFH500F 계열 AC-DC 전력 컨버터는 ¾ 브릭 폼 팩터로 제공되며 조정된 28V 출력에서 500W를 제공할 수 있습니다. (이미지 출처: TDK-Lambda)

이 설계에서는 다층 pc 기판을 하나만 사용하고 절연 금속 소자가 필요하지 않으며, 공통 모드 잡음을 줄이고, 상호 연결 핀이 없습니다. 따라서 신뢰성이 향상됩니다. 전력 아키텍처에서는 브리지리스 역률 보정(PFC) 기술과 동기 정류를 사용합니다. 손실을 줄이고 효율을 높이기 위해 질화 갈륨(GaN) 전력 소자를 사용하여 100W/in³ 출력 밀도에서 90% ~ 92%에 도달할 수 있습니다. 이 공급 장치는 전 세계 85V ~ 265V_AC, 47Hz ~ 63Hz 입력에서 사용하는 데 적합합니다.

기본 연결

그림 3은 외부 입력 EMI 필터와 같은 외부 부품이 달린 기본 회로도 레이아웃을 보여줍니다.

그림 3: PFH500F 전력 모듈의 기본 외부 연결에서는 왼쪽에 외부 EMI 필터가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: TDK-Lambda)

이 공급 장치는 그림 4에 표시된 대로 기존 공장 및 스마트 공장의 열악한 환경에 적합합니다.

그림 4: PFH500F 전력 모듈은 열악한 환경을 위한 엄격한 테스트 요구 사항을 충족합니다. (이미지 출처: TDK-Lambda)

테스트 결과에는 엄격한 테스트, 특히 정전기 방전(ESD), 방사 무선 주파수 전파 방해(RFI), 전자파 장해 내성에 대한 통과 등급이 표시됩니다.

강하 공유 병렬 기능

전원 공급 장치의 추가 전압 강하는 소모되는 부하에 비례합니다. 더 많은 전력을 생성하거나 부하를 공유하기 위해 전원 공급 장치 2개를 함께 연결할 경우 TDK-Lambda의 PFH500과 같은 병렬 지원 모델을 사용해야 합니다. 추가 전압 강하는 소모된 부하에 비례하므로 두 개 이상의 전원 공급 장치를 병렬로 연결할 경우 전원 공급 장치 간에 출력 부하가 공유됩니다. 병렬로 연결된 전원 공급 장치 중 하나에서 더 많은 전류를 공급하려고 시도하면 출력이 약간 강하되고 다른 공급 장치의 균형이 조정됩니다(그림 5).

그림 5: PFH500의 강하 모드 전류 공유 옵션은 다른 공급 장치와 병렬로 작동하여 부하를 공유할 수 있습니다. (이미지 출처: TDK-Lambda)

최적의 성능을 위해 모든 전원 공급 장치는 출력을 동일한 전압으로 설정해야 합니다. PFH500(28V 버전)의 부하 조정(강하 없음)은 V_IN = 115/230V_AC에서 28mV 또는 0.1%입니다.

바닥판 전도 냉각 기능

전도 냉각은 직접 접점을 통해 뜨거운 영역에서 차가운 다른 영역으로 열이 전달되는 것을 의미합니다. 예를 들어, PFH500에는 외부 방열판 또는 냉각판에 실장되어 직접 접점을 통해 전력 소자의 열을 전달하여 냉각하도록 설계된 평평한 표면(바닥판)이 있습니다(그림 6).

그림 6: PFH500과 같은 전력 모듈은 방열판을 사용하는 전도 냉각을 통해 냉각됩니다(이미지 출처: TDK-Lambda).

냉각에 대한 자세한 내용은 “Techniques for Cooling Power and Other Electronic Devices(냉각 전력 기술 및 기타 전자 장치)”를 참조하십시오.

설계자를 위한 기타 이점

PFH500은 설계자를 위해 다음과 같은 기타 이점을 제공합니다.

• 포팅 공정으로 코팅된 금속 케이스를 사용하여 복사성 방출을 줄이고 충격 및 진동 성능 개선
• 내부 디지털 분리(광 분리는 안정적이지 않음)
• 서지 보호 기능을 갖춘 입력 EMI 필터를 사용하여 전원 공급 장치의 오류/손상 방지
• 내부 유입 계전기 및 회로를 통해 전원 공급 장치 손상 방지
• 원격 감지 기능을 사용하여 원격 부하까지 케이블 거리에 대한 전압을 정확히 제어
• 내부 과온 및 과전류 보호를 통해 신뢰성 보장
• VBUS 모니터링 기능을 통해 과전압/부족 전압을 방지하여 중단 없는 작동 보장
• 회로 내 프로그래밍(예: 스마트 시스템)
• 안전 표준 품질 보증을 통해 신뢰성 향상

평가 기판 시작하기

시장 출시 시간을 단축하기 위해 평가 테스트 기판이 추가되었습니다. 설계자는 TDK-Lambda에서 평가 기판에 대한 거버 파일을 다운로드하여 시스템의 기판 레이아웃을 최적화한 후 시스템 아키텍처의 더 큰 설계 레이아웃에 붙여넣을 수 있습니다.

다음과 같은 세 가지 PFH05W 평가 테스트 기판이 있습니다.

• PFH500F-28-1D0-R 모듈이 포함된 PFH05W28-1D0-EVK-S1 평가 키트 조립품
• 전력 모듈이 없는 PFH05W-001-EVK-S0 평가 키트 조립품
• PFH500F-28-100-R 모듈이 포함된 PFH05W28-100-EVK-S1 평가 키트 조립품

각 기판에는 테스트에 필요한 모든 외부 부품이 포함되어 있으므로 전력 모듈에 대한 초기 평가를 간소화하여 시장 출시 시간을 단축할 수 있습니다. 참고: 부하 상태로 작동되는 경우 모듈 방열판을 냉각하기 위해 외부 공기 흐름이 필요할 수 있습니다. TDK-Lambda HS00110 방열판은 대량 주문이 가능합니다(그림 7).

그림 7: PFH05W PFH500F 평가 기판을 사용하면 시장 출시 시간을 단축하고 성능이 설계자의 특정 요구 사항을 충족하는지 입증할 수 있습니다. HS00110 방열판(그림)과 같은 외부 냉각을 추가할 수 있습니다. (이미지 출처: TDK-Lambda)

이 세 평가 기판에는 단상 가변 AC 전압원(이 입력원에 적절한 크기는 각 기판의 규격서 참조), 0V ~ 500V DC 다중 계측기, 적절한 출력 부하(적절한 부하 크기는 개별 규격서 참조), 기판의 방열판에 공기 흐름을 제공하기 위한 팬이 필요합니다.

사용자를 위한 참고 사항: 평가 테스트 기판에 전기를 연결하기 전에 모든 입력 및 출력 케이블의 전원을 차단해야 합니다.

대체 응용 분야

28V 출력 공급에 대한 AC 입력 계열은 군사용 지상 차량 플랫폼을 위한 상업용 기성품(COTS) 전원 공급 장치와 같은 다른 열악한 환경이나 VMEbus(Versa Module Europa 또는 Versa Module Eurocard bus)와 같은 랙 실장 시스템에도 사용될 수 있습니다. 전극 현미경 등에 사용되는 이온 펌프 전원 공급 장치에도 PFH500F 계열이 적합할 수 있습니다.

결론

PFH500F-28 계열은 EMI, RFI 및 기타 잡음은 물론이고, 표준 전원 공급 장치를 통해 전도되지 않는 충격, 진동 및 극한 온도에 대해서도 내성이 뛰어나므로 열악한 환경에 적합합니다. 또한 높은 출력 밀도, 모듈식 설계, 작은 실장 면적으로 인해 전반적으로 더 큰 응용 제품에서 콤팩트 전원 공급 장치를 구현할 수 있습니다.

PMBus를 사용하면 전원 공급 장치를 IIoT 예측 분석 및 유지 보수 응용 제품에 통합하는 데 필요한 자체 진단, 원격 모니터링 및 데이터 통신을 수행할 수 있습니다.

추가 관련 자료

1. “Techniques for Cooling Power and Other Electronic Devices”