TDK-Lambda製PFH500電源モジュールを使用した過酷な環境向け電源の設計

著者 Steve Taranovich(スティーブ・タラノビッチ) 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 提供
2020-03-19
マルツ掲載日：2020-06-29

　デジタル電源管理のための電源管理通信プロトコルのオープン規格であるPMBusにより多くのことが実現できます。この規格は電源の利用を強化し、性能と信頼性を高めます。たとえば、外部計測器なしで、各種電源パラメータ(各出力の電圧と電流、各出力段の温度、各出力段のパワーグッド状態、各モジュールの出力イネーブル状態など)の測定や監視ができます(図1)。

　PFH500Fシリーズはフットプリントが4×2.4インチで、¾ブリック形式で提供されています(図2)。22.4V～33.6V(±20%)で調節可能な28Vの安定化出力電圧で500Wを供給できます。

　外付け入力EMI(電磁妨害)フィルタなどの外部部品を含む、基本的な回路図を図3に示します。

図3：PFH500F電源モジュールの基本的な外部接続には、左側の外付けEMI(電磁妨害)フィルタが含まれます。(画像提供：TDK-Lambda)

　この電源は、図4に示すように、従来の工場とスマート工場のどちらの過酷な環境にも適した選択肢です。


図4：PFH500F電源モジュールは、過酷な環境向けの厳格な試験要件に適合します。(画像提供：TDK-Lambda)

　試験結果は、特に静電気放電(ESD)、放射無線周波数干渉(RFI)、電磁妨害耐性など、厳格な試験に合格していることを示しています。

ドループシェア並列機能

　電源における余分な電圧降下(ドループ)は、接続する負荷に正比例します。大電力を発生させたり負荷を共有するために2つの電源を同時に接続する場合は、TDK-Lambda社のPFH500などの並列可能モデルを使用するようにお勧めします。

　余分な電圧降下は接続する負荷に正比例するため、2つ以上の電源を並列接続すると出力負荷はそれらの電源間で共有されます。並列接続された電源の片方がより大きな電流を流そうとすると、その出力はわずかにドループし、他の電源がつり合います(図5)。

図5：PFH500はドループモード電流シェアオプションにより他の電源と負荷を共有する並列動作が可能。(画像提供：TDK-Lambda)

　最適性能を発揮させるには、すべての電源の出力電圧を同一に設定する必要があります。PFH500(28V版)の負荷安定化(ドループなし)は、28mV、つまり0.1%です(VIN = 115/230VAC)。

ベースプレート冷却能力

　伝導冷却は、ある高温領域から他の低温領域へ直接接触により熱を移動させることと定義されています。たとえば、PFH500には、直接接触により電源デバイスから熱を伝えて逃がす外付けのヒートシンクや冷却プレートを取り付けるための平坦面(ベースプレート)があり、それによって本体を冷却します(図6)。

図6：PFH500などの電源モジュールがヒートシンクによる伝導冷却で冷却されることが示されています。(画像提供：TDK-Lambda)

　冷却の詳細については、「Techniques for Cooling Power and Other Electronic Devices(電源デバイスおよびその他の電子デバイスを冷却するための技術)」を参照してください。

設計者にとっての他の利点

　PFH500には、設計者にとって他にも以下のような利点があります。

・ポッティング加工のメタルケースによる放射低減と衝撃と振動に対する耐性の向上
・内部のデジタルアイソレーション(オプトアイソレーションは信頼性がない)
・電源の故障と途絶を防止するサージ保護を備えた入力EMIフィルタ
・内蔵の突入リレーや回路による電源の故障防止
・リモートセンス機能による、ケーブル全体にわたるリモート負荷に対する電圧の精密制御
・内部の過温度保護と過電流保護による信頼性の確保
・過電圧や不足電圧から保護するVBUS監視機能による中断のない動作の保証
・インサーキットプログラミング(例、スマートシステムによるもの)
・安全規格認証による信頼性向上

評価ボードの使用

　評価テストボードは、製品を市場投入するまでの期間を短縮できるため役に立ちます。これらの評価ボード用のガーバーファイルがTDK-Lambda社から入手できます。システムの基板レイアウトの最適化に役立ち、さらに大きなシステムアーキテクチャの設計レイアウトに貼りこむことができます。

　PFH05W評価テストボードには、以下の3種類があります。

・PFH05W28-1D0-EVK-S1(PFH500F-28-1D0-Rモジュール搭載評価キットアセンブリ)
・PFH05W-001-EVK-S0(電源モジュール非搭載評価キットアセンブリ)
・PFH05W28-100-EVK-S1(PFH500F-28-100-Rモジュール搭載評価キットアセンブリ)

　各キットは、テストに必要な外部部品をすべて含んでいるため、電源モジュールの初期評価が簡単にでき、市場投入までの期間の短縮に役立ちます。注：負荷を使用した動作時にはモジュールのヒートシンクの冷却に外部の空気流が必要な場合があります。TDK-Lambda製ヒートシンクHS00110は、量産向け数量で注文可能です(図7)。

図7：PFH05W PFH500F評価ボードは、市場投入までの期間を短縮し、設計者の特定のニーズに対する性能を実証できます。ヒートシンクHS00110(図中)など、外付け冷却部品を装着可能です。(画像提供：TDK-Lambda)

　これら3種類の評価ボードには、単相の調節可能AC電圧源(この入力源の適切な容量等の決定には各ボードのデータシートを参照)、0～500V DCマルチメータ、適切な出力負荷(適切な負荷の大きさについては各データシートを参照)、基板上のヒートシンクに気流を供給するファンが必要です。

ユーザーのための注：評価テストボードに電気的接続をする前に、いずれの入出力ケーブルも通電していないことを確認してください。

その他の用途

　AC入力28V出力電源の本シリーズは、軍事用地上車両プラットフォーム向け商用即納製品(COTS)電源など他の過酷な環境や、VMEbus(Versa Module EuropaバスまたはVersa Module Eurocardバス)などのラックマウントシステムでも使用できます。電子顕微鏡などに使用されるイオンポンプ電源にも、PFH500Fシリーズの利点が活かせます。

結論

　PFH500F-28シリーズは、標準的な電源の使用が適さない、衝撃、振動、極端な温度、および電磁妨害(EMI)、RFI、その他のノイズに対する高い耐性などの基本特性を備えているため、過酷な環境向けの優れた選択肢です。また、高電力密度、モジュール式設計、小型フットプリントにより、全体として大規模なアプリケーションにおいて小型の電源実装が可能です。

　PMBusに準拠しているため、IIoTの予知解析や保全のアプリケーションにこの電源をうまく組み込むために必要な自己診断、遠隔監視、データ通信が実現できます。

関連リソース
(1)「Techniques for Cooling Power and Other Electronic Devices(電源デバイスおよびその他の電子デバイスを冷却するための技術)」



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