Конструирование источников электропитания по модульному принципу

Проектирование ИЭП для современной ЭА осуществляется по модульному принципу и с использованием БНК, что позволяет: применять современную и перспективную компонентную базу; разрабатывать ИЭП на основе модулей нулевого, первого, второго и третьего уровней разукрупнения; обеспечивать высокий уровень унификации и технологичности; обеспечивать эффективную защиту ИЭП от механических и климатических воздействий; обеспечивать заданный тепловой режим и электромагнитную совместимость; создавать условия ремонтопригодности и безопасности; разрабатывать ИЭП с применением систем автоматизированного проектирования аппаратуры; добиваться минимизации затрат на проектирование и изготовление ИЭП.

Модули нулевого уровня. К модулям нулевого уровня относятся изделия электронной техники и электротехники: полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы, микросборки, резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели и другие компоненты. Номенклатура этих компонентов чрезвычайно широка. Конструкция же ИЭП, как и любой ЭА, прежде всего зависит от массогабаритных характеристик используемой компонентной базы. Поэтому применяемые в современных ИЭП компоненты классифицируют по габаритным размерам и в соответствии с этой классификацией они делятся на малогабаритные, миниатюрные и микроминиатюрные. Так, компоненты в микроминиатюрном исполнении имеют, например, следующие размеры в миллиметрах (h х d): трансформаторы импульсные бескорпусные 3,5 х 10; трансформаторы импульсные корпусные 6 х 12,5; дроссели фильтров 7,5 х 18; резисторы переменные проволочные 5x6; резисторы переменные непроволочные 7.5 х 7,5; конденсаторы постоянной емкости 6 х 10; диоды 4x5; транзисторы 5x5.

Для осуществления автоматизированного монтажа рекомендуются следующие компоненты: микросхемы в керамических корпусах типа Н и пластмассовых корпусах типа М; полупроводниковые приборы в корпусах типов КТ-26. КТ-27, КТ-28 и в корпусах типов SOT-23 и SOT-89, рассчитанные для поверхностного монтажа. В качестве полупроводниковой компонентной базы применяются микросхемы 286ЕП, диоды 2Д212(А-6) и 2Д213(А-6), транзисторы КТ837, 2Т862. 2Т866 идр.

Снизить габаритные размеры можно за счет повышения рабочей частоты преобразования. Это позволяет существенно уменьшить габаритные размеры моточных изделий — трансформаторов и дросселей. Одной из разновидностей конструкции трансформаторов. работающих на частотах до 150 кГц, являются трансформаторы типа ТМ. обеспечивающие выходную мощность до 15...20 Вт. Внешний вид этих трансформаторов приведен на рис. 3.5, конструктивные параметры - в табл. 3.2. Трансформаторы типа ТМ используются там. где для производства ЭА применяется технология поверхностного монтажа.

Трансформаторы малогабаритные с планарными выводами ТМ5 (а) и ТМ2 (б)

Рис. 3.5. Трансформаторы малогабаритные с планарными выводами ТМ5 (а) и ТМ2 (б):

1 катушка; 2 пластмассовый носитель с выводами

Таблица 3.2. Конструктивные параметры трансформаторов тина ТМ

Тип трансформатора

Размеры кольцевого сердечника, мм

Диаметр

броневого

сердечника,

мм

Число обмоток провода диаметром, мм

Число выводов с площадью сечения, м.г

из феррита

из пермаллоя

0,1.. Д4

0,4... I

0.13

0,8

ТМ I

7x4x2

9

4

8

ТМ2

Юх 6x4,5

10x6x4,5

11

5

10

ТМЗ

13x7x5

14

6

10

ТМ4

16x10x4,5

17x10x6,5

18

3

3

6

6

ТМ5

20x10x5

20x12x6,5

22

3

3

6

6

Наличие планарных выводов у этих трансформаторов позволяет осуществлять их установку на керамические подложки специализированных микросборок; на односторонние печатные платы; на поверхности коммутационных плат на металлической основе, обеспечивающих эффективный отвод теплоты от функциональных узлов НЭП.

Основной элемент конструкции трансформаторов - кольцевые (тороидальные) и броневые сердечники. Особенностью кольцевых сердечников является большое обмоточное пространство и отсутствие немагнитного зазора, что характерно для трансформаторов и дросселей с малым накоплением энергии. Для трансформаторов с накоплением энергии и дросселей с подмагничиванием броневой сердечник предпочтительнее благодаря возможности создания немагнитного зазора. Кольцевой сердечник может создавать меньший уровень электромагнитного излучения по сравнению с броневым, но из-за наличия несимметричной намотки может потребоваться его экранирование. Преимущество кольцевого трансформатора перед броневым растет с увеличением частоты переменного тока.

Унифицированный трансформатор для различных ИЭП обычно имеет от четырех до шести обмоток, что позволяет обеспечить реализацию: мостовых и полумостовых схем преобразователей напряжения на транзисторах, для которых требуется гальваническая развязка базовых цепей с помощью обмоток, расположенных на одном магнитопроводе (в случае расположения обмоток на разных магнитопроводах возникают уравнительные и сквозные токи, нарушается одновременность включения транзисторов, а при разбросе числа витков обмоток возможен выход транзисторов из строя); преобразователей напряжения с последовательным включением транзисторов, что важно в схемах с бес- трансформаторным входом при высоком входном напряжении; генераторов по схемам, требующим шесть обмоток; многих двухтактных схем преобразователей напряжения, имеющих в своем составе базовые. коллекторные и выходные обмотки трансформаторов и т. п.

Установление невысокой мощности трансформаторов позволяет ограничиться двумя типами выводов сечением 0,2 и 2,8 мм" и обмоточными проводами с диаметрами от 0,1 до 1 мм. В случае параллельного включения обмоток они должны выполняться двумя проводами одновременно.

Корпус элемента (модуля) нулевого уровня должен обеспечивать выполнение следующих основных требований: размещение элементов электрической схемы; теплоотвод от элементов схемы; экранирование; надежную работу в различных условиях эксплуатации; технологичность.

Конструирование модулей нулевого уровня имеет две основные особенности: использование сравнительно больших по объему компонентов (трансформаторов, дросселей и конденсаторов фильтров) и значительные тепловые потери. Для реализации подобных устройств необходимы корпуса с развитой поверхностью охлаждения.

На выбор корпусов модулей нулевого уровня влияют размеры компонентов и БНК модулей первого уровня. Применяемые в НЭП компоненты имеют высоту до 7,5 мм. что определяет размер корпусов по высоте. Длина и ширина определяются размерами стандартных подложек. Разработано три типа унифицированных корпусов. В качестве исходных данных для корпуса первого типа приняты размеры стандартного корпуса К160 (40 х60 мм) с полезной высотой 6,5 и 10 мм и размерами подложки 30 х 48 мм. Следующий тип корпуса для подложки 48 х60 мм имеет размеры 52.5 х х 79.5 мм. согласованные с размерами модуля первого уровня. Корпус. третьего типа, занимающий половину площади печатной платы с размерами 170 х 110 мм. не должен превышать 90 х 70 мм. Варианты компоновки корпусов второго типа на платах 170 х 75 мм и 170 х 110 мм приведены на рис. З.б.

Варианты ком попонки корпусов микросборок на платах размерами 170 х75 мм (а) и 170 х 1 К) мм (б)

Рис. 3.6. Варианты ком попонки корпусов микросборок на платах размерами 170 х75 мм (а) и 170 х 1 К) мм (б):

1 плата; 2 мнкросборка

Для улучшения условий отвода и рассеяния теплоты в конструкции корпуса необходимо предусмотреть возможность увеличения площади, установки на корпус дополнительного радиатора и возможность крепления корпуса на теплоотводящую поверхность. Число и расположение электрических выводов определяются в процессе разработки конкретных модулей нулевого уровня. В качестве материалов корпусов рекомендуется алюминиевый сплав АМЦ, который обеспечивает эффективный отвод теплоты от компонентов схемы, экранирование схемы микросборки от внешних электромагнитных полей, вакуумную плотность мест установки контактных выводов, герметизацию корпуса методами сварки или пайки.

Алюминиевый сплав является наиболее приемлемым материалом благодаря высокой пластичности, способности обрабатываться различными технологическими методами, возможности нанесения гальванопокрытий, обеспечивающих его качественное улучшение и пайку.

Модули первого и второго уровней. Они являются конструктивной основой НЭП и других функциональных устройств, входящих в состав ИЭП. При малой мощности передаваемого сигнала или преобразуемой электроэнергии модули ИЭП могут быть выполнены на несущем элементе конструкции, которым является коммутационная (печатная) плата.

Силовые модули ИЭП отличаются от других модулей ЭА большей массой. Увеличение массы вызвано применением сравнительно громоздких электромагнитных компонентов (трансформаторов, дросселей и т. п.). конденсаторов большой емкости или высокого рабочего потенциала, транзисторов с большим тепловыделением. Повышение массы модулей ИЭП вызвано также сравнительно высоким уровнем входного напряжения. Прочность и устойчивость модулей ИЭП к механическим и климатическим воздействиям обеспечивается достаточно жесткой конструкцией. Печатная плата в такой конструкции зачастую служит лишь для размещения компонентов схемы со сравнительно малыми размерами и массой и вместе с другими элементами конструкции модуля обычно крепится к металлической несущей конструкции, например рамке.

На рис. 3.7 приведен пример конструкции модуля первого уровня, содержащего рамку /, на которой устанавливаются мощные транзисторы 2. К рамке крепятся также печатные платы Зи4с трансформаторами 5 и маломощными компонентами. Размеры плат могут быть стандартными или отличаться от них. Модуль снабжен электрическим соединителем 6.

При разработке модулей первого, второго и третьего уровней учитывают следующие особенности. Размеры модулей первого уровня ИЭП должны обеспечивать их оптимальную компонуемость в составе модулей второго уровня. Электрические соединители для модулей первого уровня ИЭП и модулей первого уровня ЭА должны быть унифицированы. Для снижения контактного сопротивления в силовых цепях стабилизирующих ИЭП рекомендуется параллельное соединение контактов соединителей.

При использовании печатной платы в качестве несущего элемента конструкции масса модуля первого уровня ИЭП не должна превышать 0,3 кг (у плат 170 х 75 мм), 0,75 кг (у плат 170 х200 мм), 0,6 кг (у плат 170 х 150 мм) и 1,6 кг (при плате 170 х 280 мм). Масса одно- и двухрядного модуля второго уровня на базе печатных плат размером 170 х75 мм не должна превышать 10 или 20 кг соответственно. Масса однорядного модуля второго уровня на базе печатных плат размером 170 х200 мм не должна превышать 20 кг.

Модуль первого уровня разукрупнения с несущей металлической рамкой

Рис. 3.7. Модуль первого уровня разукрупнения с несущей металлической рамкой:

1 рамка; 2 транзисторы: 3,4 печатные платы; 5 трансформатор; 6 электрический соединитель

Шаг установки модуля первого уровня ИЭП по глубине модуля второго уровня должен быть кратным 2,5 мм. Размер модуля первого уровня по глубине модуля второго уровня не должен превышать 30 % глубины последнего, а его масса должна быть не выше 4 кг.

В задней части модуля второго уровня ИЭП должно быть предусмотрено распределительное устройство (или раздельные соединители) для осуществления раздельного монтажа сети электроснабжения и функциональных цепей между модулями второго уровня.

Мощность тепловых потерь, рассеиваемых модулем первого уровня ИЭП, не должна превышать 15 Вт (у плат 170 х 75 мм) и 30 Вт (у плат 170 х 150 мм и более). При принудительном воздушном охлаждении модули первого и второго уровней ИЭП должны быть рассчитаны на скорость натекающего потока воздуха не более 2 м/с.

Модули первого и второго уровней ИЭП могут заполнять модуль третьего уровня частично (при необходимости размещения в модуле третьего уровня системы охлаждения) или полностью (при централизованной системе охлаждения). Модули первого и второго уровней, имеющие большее тепловыделение, должны располагаться в верхней части модуля третьего уровня (при направлении охлаждающего воздуха снизу вверх).

Модули третьего уровня. Модуль третьего уровня ИЭП должен иметь устройство для подсоединения двух фидеров трехфаз- ной четырехпроводной сети переменного тока частот 400 и 50 Гц и напряжением 220 или 380 В соответственно, допускать замену одного из фидеров переменного тока фидером постоянного тока напряжением 27 В. Соединители модуля третьего уровня и распределительные устройства или соединители модулей второго уровня должны соединяться между собой проводниками, рассчитанными на потребление каждым модулем второго уровня переменного тока 10 А частоты 400 Гц при напряжении 220 В или 6 А частоты 50 Гц при напряжении 380 В.

Способ и элементы заземления модулей второго и третьего уровней должны обеспечивать сопротивление заземления между корпусом модуля второго уровня и болтом заземления модуля третьего уровня не более 0,1 Ом.

В модуле третьего уровня необходимо предусмотреть места для размещения межблочных цепей электропитания в виде кабелей или жгутов. При этом цепи переменного и постоянного токов должны проводиться отдельными жгутами. Цепи переменного тока должны выполняться экранированными проводниками.

Модульный принцип построения конструкции ИЭП нашел воплощение в широко применяемой в настоящее время конструкционной системе «Евромеханика», выполняемой в соответствии с требованиями стандарта МЭК 821. Конструктивное исполнение плат, каркасов и объединительных плат основано на публикациях МЭК 297 и МЭК 603.

На рис. 3.8 показан чертеж кассеты (ячейки), размеры которой соответствуют значениям, приведенным в табл. 3.3.

Размеры типовых конструкций в системе «Евромеханика» установлены на основе модуля вертикального приращения U = 3

= 44,45 мм (1— "). Расстояние между шаговыми линиями печатных

плат должно быть кратно размеру Р= 2 х 2,54 = 5,08 мм. Ширина В передних панелей должна удовлетворять соотношению В < п х 5.08, где п = 2, 3, 4.....

Применительно к источникам электропитания применение конструктивов «Евромеханика» ограничивается тремя уровнями разукрупнения: модули нулевого уровня — комплектующие изделия; модули первого уровня — кассеты (ячейки) и модули второго уровня — каркасы (блоки). Каркас является базовой несущей конструкцией блока и служит для размещения несущих конструкций кассет на основе конструктивов, приведенных на рис. 3.8 с размерами в табл. 3.4.

Чертеж кассеты (ячейки)

Рис. 3.8. Чертеж кассеты (ячейки):

1 печатная плата; 2 передняя панель; Ч зона размещения соединителя; Г шаговые л и нии; jV полезная высота

Таблица 33. Размеры кассеты (ячейки) в системе «Евромеханика»

Условный

размер

(обозначение)

//,, мм

//2. мм

L, мм

2 U

55,55

84,25

N00:160:220:280

  • 1
  • 1
  • 1

31Г

100,00

128,70

4U*

144,45

173,15

5U

188.90

217,60

61Г

233,35

262,05

71J

277.80

306,50

81Г

322,25

350,95

9IJ

366.70

395,40

К) и

411.15

439,85

ни

455,60

484,30

12U

500,05

528,75

* Предпочтительные размеры печатных плат.

Чертеж и некоторые размеры каркаса приведены на рис. 3.9. а основные размеры - в табл. 3.4. Определяющим размером каркаса является размер по ширине 482,6 мм (19 ").

Чертеж каркаса

Рис. 3.9. Чертеж каркаса:

1 корпус каркаса; 2 печатная плата: У панели печатных плат; -/ соединитель ма печатной плате; 5 деталь под соединитель; 6 направляющая для печатной платы; Г шаговые липпи; Д упорная плоскость панелей; И плоскость крепления сосднп пт елей

Таблица 3.4. Основные размеры каркасов

Условный размер (обозначение)

/73, мм

А2(предельное отклонение ±0,2). мм

L (предельное отклонение ±0,5), мм

2 U

67.31

78,05

  • 11224:17124; 232,4; 292,24
  • 1

3U

111,76

122.50

4U

156,20

166.95

5U

200,70

211.40

6U

245,10

255.85

7U

289,55

300.30

8 U

334,00

344.75

9U

378,45

389.20

юи

422,90

433,65

ни

467,35

478.10

12U

511,80

522.55

При применении каркасов по стандарту конструкционной системы «Евромеханика» используется несущая конструкция каркаса (рис. 3.10). В этом каркасе можно размещать кассеты двойной (рис. 3.12. а) и одинарной высоты (рис. 3.12. б). а также одну или несколько объединительных плат для внутрнблочной коммутации кассет (ячеек).

Конструкция каркаса

Рис. 3.10. Конструкция каркаса

Платы кассет одинарной высоты имеют размер по высоте 100 мм (3,937") подлине 160 мм (6.299"), по толщине (1,6 ± 0,2) мм (0,063 ± ± 0.008").

Платы кассет двойной высоты имеют размер по высоте 233,35 мм (9,187"), по длине 160 мм (6.299"), по толщине (1,6 ± ± 0.2) мм (0,063 + 0,008").

На рис. 3.11 приведен в качестве примера общий вид блока (кассеты) ИЭП, разработанного с применением конструкционной системы «Евромеханика».

Этот блок ИЭП выполнен по типоразмеру кассеты 6U и имеет следующие габаритные и присоединительные размеры в мм: Я1 = 233,35; Н<2 = 262,05; В = 60,7; L = 172,4. Приведенные размеры блока (кассеты) ИЭП позволяют использовать его в стандартном каркасе (см. рис. 3.10) системы «Евромеханика» наряду с другими блоками без дополнительной доработки. Присоединительные размеры блока ИЭП выполнены в метрической системе, согласованной с дюймовыми размерами каркаса конструкционной системы «Евромеханика».

Конструкция кассеты двойной (а) и одинарной (б) высоты

Рис. 3.12. Конструкция кассеты двойной (а) и одинарной (б) высоты

Шаг координатной сетки плат составляет 2.54 мм (0.10").

Опыт проведения испытаний на виброударопрочность и вибро- удароустойчивость несущих конструкций «Евромеханика» показал, что основным слабым звеном в аппаратуре является печатная плата кассеты (рис. 3.12). Необходимо также отметить, что имеющиеся

Общий вид

Рис. 3.11. Общий вид

блока НЭП конструкции каркасов «Евромеханики» устойчивы к возможным вибрационным и ударным воздействиям, и их дальнейшее ужесточение нецелесообразно. Работоспособность конструкций кассет (ячеек) и других конструктивов «Евромеханики» зависит только от конструкций печатной платы. Поэтому рекомендуются следующие варианты защиты аппаратуры от механических воздействий:

  • - снижение требований по механическим воздействиям, исходя из реальных перегрузок на носителях;
  • - подкрепление печатных плат (кассет);
  • - амортизация аппаратуры.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >