Актуальность и пути комплексной миниатюризации источников вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры

Тема 2.11 Миниатюризация источников вторичного электропитания.

Дополнительный материал к лекции 27 для самостоятельной работы

Миниатюризация аппаратуры, первичная цель которой состоит в уменьшении габаритов и массы радиоустройств, является одним из главных направлений развития современной радиоэлектроники. В этом направлении достигнуты большие успехи, особенно применительно к аппаратуре, предназначены для обработки слабых сигналов. Здесь эффективность миниатюризации оцениваются обычно плотностью компонентов, т.е. количеством элементов в единице объема, которая в настоящее время достигает 10 – Эл./см³.

Источники электропитания относятся к классу энергетической аппаратуры, предназначенной для преобразовании энергии.Поэтому для оценки эффективности миниатюризации в качестве критерия используется удельная мощность Р_уд. Вт/дм³, т.е. отношение выходной мощности устройства к его объему, или относительный объем V, т.е. отношение объема устройств источника электропитания к суммарному объему всей радиосистемы.

Трудности и особенности миниатюризации источника электропитания связаны с большими значениями токов и напряжения, действующих в цепях этих устройств, большим уровнем активных и реактивных мощностей и тепловыми нагрузками на отдельные конструктивные элементы и конструкции источника электропитания в целом. Для обеспечения нормального теплового режима элементов и устройств возникает проблема охлаждения, т.е. отвода во внешнюю среду теплоты, выделяемой в конструкции. Это часто является одним из ограничении в уменьшении габаритов источников электропитания.

Миниатюризация устройства электропитания – это проблема комплексная, требующая для ее решения использования энергетических, структурных,

конструктивно-технологических и системных методов.

а – энергетический метод миниатюризациив конечном итоге сводится к повышению КПД всех функциональных блоков и конструктивных компонентов, выбору частоты преобразования, оптимальных удельных электрических и магнитных нагрузок элементов.

Основными конструктивными элементами, определяющими габариты и массу источника электропитания, являются трансформаторы, дроссели и конденсаторы. Полупроводниковые приборы сами по себе могут иметь малые габариты при больших рабочих токах. Однако значительная мощность, рассеиваемая на них, приводит к необходимости увеличения поверхности теплоотвода для обеспечения нормальной температуры р-п- перехода. Необходимость увеличения поверхности теплоотвода приводит к значительному увеличению габаритов. В частности мощные диоды, транзисторы и тиристоры устанавливаются на радиаторы, размеры которых обычно в несколько раз превышают размеры самого полупроводникового прибора.

Исследования и опыт разработки показывает, что габариты устройств электропитания определяется либо требуемой поверхностью теплоотвода, либо конструктивным объемом, необходимым для размещения элементов схемы.

Габариты таких конструктивных элементов, как трансформаторы и дроссели, определяются удельными нагрузками: плотностью тока в проводниках j и индукцией магнитного поля в сердечниках В. С ростом удельных нагрузок уменьшаются габариты элементов. Например, при увеличении j для того же тока можно уменьшить сечение проводников, т.е. уменьшить габариты дросселя и трансформатора. Однако при этом неизбежно уменьшается КПД элементов, увеличивается рассеиваемая в них мощность, что приводит к необходимости увеличения поверхности теплоотвода, т.е. габаритов устройства электропитания.

В результате оказывается, что существуют оптимальные удельные нагрузки, при которых при необходимой поверхности теплоотвода обеспечивается максимальная плотность компоновки элементов в конструкции.

Задачи эффективного охлаждения и передачи тепловой энергии к внешним охлаждающим устройствам от силовых элементов и ИВЭ в целом весьма просто решаются с помощью устройств, получивших название тепловых труб. Основное преимущество тепловых труб, которому обязаны своим интенсивным развитием, заключается в их практической изотермичности, т.е. неизменности температуры по всей длине данного устройства. Это свойство позволяет с их помощью передать тепловую энергию в любую точку объема, занимаемого аппаратурой. При такой передачи потери теплового потока ничтожны, а надежность и ресурсы работы тепловой трубы значительно выше, чем у охлаждающих систем с движущимся теплоносителем.

Эффективная теплопроводность тепловых труб в десятки тысяч раз больше, чем теплопроводность таких металлов, как медь, серебро, алюминий. С их помощью можно передать почти в 500 раз больше тепла на единицу массы, чем это позволяют твердые теплопроводники при том же поперечном сечении.

Рисунок 2.108 - Схематическое изображение тепловой трубы

Тепловая труба ( рисунок 2.108) представляет собой герметично закрытый сосуд, по внутренним стенкам которого размещается наполнитель с капиллярной системой. Внутри такого устройства находится некоторое количество жидкого наполнителя ( например, вода, спирт, ацетон, фреон и аммиак). При нагреве одного из концов тепловой трубы внутри него происходит интенсивное испарение теплоносителя. Его пары через зону переноса ( средний участок тепловой трубы, где практически не происходит теплообмена с окружающей средой) переносят тепловой поток от зоны нагрева ( иначе эта зона называется зоной испарения) к зоне охлаждения или зоне конденсации. В последней происходит конденсация паров теплоносителя, сопровождающаяся отдачей тепла внешнему охладителю. Затем теплоноситель по системе капилляров опять возвращается в зону испарения.

Принципиальная зона переноса в тепловой трубе, так же как и внешний охладитель, может отсутствовать. В этом случае зона конденсации будет отдавать тепловую энергию непосредственно в окружающую среду. Подключение внешнего радиатора к зоне конденсации позволяет значительно повысить эффективность охлаждения силовых полупроводниковых приборов и ИВЭ в целом. В качестве внешнего радиатора может быть использован корпус ИВЭ или корпус радиоэлектронного устройства, а в ряде случаев даже корпус всего объекта, содержащего в своем составе большое количество разнообразных радиоэлектронных и других устройств. При этом зона конденсации тепловой трубы соединяется с соответствующим корпусом, и через него осуществляется «сброс» выделяемого аппаратуре тепла в окружающую среду.

Наметившийся в настоящее время переход к малогабаритным и легким полупроводниковым приборам в бескорпусном исполнении в значительной степени позволит облегчить задачу практического использования тепловых труб в ИВЭ радиоэлектронной аппаратуре. Такие приборы можно приклеивать к поверхности тонкостенных тепловых труб с помощью электроизоляционных теплопроводящих клеев, обеспечивающих хороший тепловой контакт и электрическую изоляцию этих приборов от поверхности тепловой трубы.

Широкое применение тепловых труб должно явиться важным средством комплексной миниатюризации силовых преобразовательных устройств и в том числе ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры.

Повышение КПД устройства электропитания может быть обеспечено как выбором соответствующих элементов и материалов, так и выбором режимов работы узлов источника электропитания. Так, для уменьшения потерь в низковольтных сильноточных выпрямителях вместо обычных диодов может оказаться целесообразным применять диоды Щоттки, биполярные и полевые транзисторы в диодном включении. Весьма перспективными являются ключевые режимы преобразователей и стабилизаторов, обеспечивающие весьма высокие КПД.

Габариты трансформаторов, дросселей и конденсаторов существенно уменьшаются с ростом рабочей частоты. Поэтому одним из эффективных средств снижения габаритов устройств электропитания является повышение рабочей частоты выпрямительных и преобразовательных блоков. Следовательно, более предпочтительными являются источники переменного тока повышенной частоты.

Следует, однако, иметь в виду, что при слишком высокой частоте увеличивается влияние паразитных конструктивных индуктивностей и емкостей на работу устройства, уменьшается КПД полупроводниковых преобразователей за счет инерционности транзисторов и тиристоров и увеличиваются создаваемые ими помехи.

б – структурный метод миниатюризации базируется на исключении или уменьшении количества, номиналов и рабочей мощности реактивных компонентов схем электропитания: трансформаторов, дросселей и конденсаторов большой емкости. Он используется главным образомна этапах разработки структурных и принципиальных схем. В соответствии со структурным методом, например, вместо обычных LC- или RC- фильтров для подавления пульсаций целесообразно использовать электронные фильтры, которые не только позволяют устранить дроссели, но и уменьшить емкость конденсаторов фильтров.

Для замены трансформаторов целесообразно использовать выпрямители с умножением напряжения, снижая его на стороне переменного тока с помощью емкостных делителей или осуществляя требуемую трансформацию напряжения в цепях постоянного тока с помощью ключевых инверторов. При разработке структурной схемы следует иметь в виду, что повышение рабочей частоты всегда приводит к уменьшению габаритов трансформаторов, дросселей и конденсаторов. Поэтому в функциональные схемы целесообразно вводить преобразователи, повышающие рабочую частоту переменного тока, даже если для принципиального решения задачи инверторы не являются необходимыми.

Для все системы питания в целом, включая электрические аппараты управления, защиты и блокировки, важным средством миниатюризации является замена электромагнитных реле, контакторов, автоматов электронными (транзисторными, тиристорными) устройствами, выполняющими аналогичные функции.

в- конструктивно-технологические методы миниатюризации основаны на интеграции конструктивных элементов в единые функциональные блоки, на

использовании интегральной технологии, на применении бескорпусных полупроводниковых приборов, микросхем и специальных материалов, а также на специальные методы конструирования, обеспечивающих плотную компоновку и благоприятные условия для отвода тепла.

Интеграция конструктивных элементов подразумевает создание функционально законченных гибридных интегральных микросхем на основе бескорпусных полупроводниковых приборов и микросхем или бескорпусных малогабаритных сборок, включающих силовые транзисторы и диоды в сочетаниях с другими элементами.

Крупные функциональные блоки или все устройство электропитания в большинстве случаев строятся путем объединения гибридных микросхем, малогабаритных сборок, трансформаторов, дросселей и других элементов в общем герметичном корпусе с плотной упаковкой элементов. Для обеспечения хорошего теплового контакта элементов с корпусом полость последнего часто заливается жидким диэлектриком с низкой температурой кипения. Эта кипящая в процессе работы устройства жидкость обеспечивает отвод тепла от элементов через корпус во внешнюю среду.

г- системные методы миниатюризации, основаны, с одной стороны, на комплексном использовании трех предыдущих методов с учетом их взаимосвязи и, с другой стороны, на оптимизации структурной и принципиальной схем всего устройства электропитания с учетом взаимодействии отдельных блоков и элементов.

Часто оказывается, что рассмотренные энергетический, структурный и конструктивно-технологический методы приводят к противоречивым решениям и требуют поиска оптимального решения. В подобных противоречивых случаях необходимо рассмотреть множество конструктивных реализаций и выбрать наилучшую с точки зрения габаритов.

Системный метод миниатюризации требует комплексного подхода к проектированию всех составляющих блоков узлов и элементов по единому плану, целью которого является получение минимальных габаритов всего устройства, а не отдельных его компонентов. В этой связи необходимо рассматривать множество возможных вариантов структурных и принципиальных схем всего устройства электропитания в целях отыскания наилучшего решения, изыскивать внутренние ресурсы, возможности совмещения функций, всесторонне учитывать влияние схем и конструкций самой питаемой радиосистемы на устройства электропитания. Так, например, функции фильтрации и стабилизации можно совместить в одном устройстве, обеспечив необходимое быстродействие стабилизатора. Транзисторные и тиристорные ключи преобразовательных узлов могут выполнять также функции регулирования и защиты, инверторы могут выполнять функции стабилизации и т.п.

Системный подход часто приводит к целесообразности децентрализации систем электропитания, т.е. использования индивидуальных ИВП для питаемых радиоблоков. При этом можно сам радиоблок и ИВП выполнить в виде единой гибридной микросхемы.

Комплексная миниатюризация устройств электропитания на базе

рассмотренных методов позволяет не только улучшить массо -габаритные показатели, но и повысить надежность, срок службы, способствует унификации отдельных узлов и блоков, что в конечном счете сокращает сроки и материальные затраты на разработку и изготовление устройств электропитания.