Распределенные системы электропитания

Существует два способа построения систем электропитания: централизованный принцип и нецентрализованный или распределенный принцип. В системе, построенной централизовано (рис.1), мощный, крупногабаритный преобразователь напряжения питает функциональную аппаратуру (ФА) всеми необходимыми номиналами напряжений и токов.

Централизованная система питания

В распределенной системе питания (рис.2) выпрямленное и отфильтрованное напряжение первичной сети либо непосредственно распределяется по питаемой системе (рис.2,а), либо преобразуется основным DC/DC преобразователем до уровня напряжения на промежуточной шине и затем распределяется по системе. Каждый функциональный узел состоит из одного или нескольких DC/DC преобразователей, подключенных к промежуточной шине, которые обеспечивают необходимые для каждой отдельной нагрузки напряжения и токи (рис.2,б).

Распределенная система питания

В случае распределенного электропитания каждая печатная плата или модуль ФА имеет собственный локальный DC/DC преобразователь, который располагается в непосредственной близости от нагрузки. Передача энергии осуществляется на высоких уровнях напряжений и при малых токах соответственно, что позволяет существенно уменьшить потери в сети, а также снизить стоимость шин, проводов, контактов и соединителей. С другой стороны, это повышает надежность системы.
Следует заметить, что хотя подход использования распределенного электропитания известен давно, системы такого питания почти не применялись (за исключением промышленности средств связи и нескольких крупных компаний). Одна из причин было то, что DC/DC преобразователи в прошлом с выходной мощностью 5—50 Вт имели достаточно большие габариты и были тяжелыми. Только начиная с середины 80-х годов концепция распределенного электропитания начала реально воплощаться в жизнь, когда компания одна из крупных зарубежных компаний начала широкое производство и распространение компактных преобразователей большой мощности в виде компонентов электронных схем при одновременном росте потребностей индустрии ЭВМ и рабочих станций в разработке высоко конфигурируемых изделий ( рис.3).

Изменение величины удельной мощности

Ни одну из рассмотренных выше систем электропитания (рис.1, 2) нельзя считать абсолютно подходящей для всех вариантов применений, однако концепция распределенного электропитания имеет ряд преимуществ. Одно из таких преимуществ является возможность установки DC/DC преобразователей на печатных платах точно так же, как и других электронных компонентов. Распределенные системы имеют также определенные преимущества при использовании в самой ФА,
собираемой в стойках. Вместо распределения электроэнергии на низком напряжении (3 или 5В) при больших токах основной DC/DC преобразователь снабжает модули ФА электроэнергией на напряжениях 27—380В. Это приводит к уменьшению величин токов и, соответственно, снижению сечений медных проводников и размеров контактов соединителей.
Распределенные системы питания состоят из большого количества сборочных единиц в отличие от централизованных систем, которые имеют малое число крупногабаритных, массивных сборочных единиц. Масса сборочных единиц важна не только по условиям производства, она также определяет механическую стойкость системы при воздействии вибрации и ударов.
Наличие вентилятора в разрабатываемом ИП влияет на его надежность, в виду высокой интенсивности отказов. DC/DC преобразователи для монтажа на печатной плате с выходной мощностью от 5 до 50 Вт могут обеспечить потребности большинства нагрузок. В таком случае система охлаждается за счет естественной конвекции, что исключает необходимость использования вентилятора. При более высоких уровнях мощностей требуется принудительное охлаждение. Неэффективное охлаждение ИП ведет к снижению времени наработки на отказ в 2 раза на каждые 10°С температуры перегрева. Распределенные системы позволяют сократить время разработки электронной аппаратуры, так как можно выбрать DC/DC преобразователь для каждой печатной платы во время ее разработки.

Использование распределенных систем электропитания обеспечивает более высокое качество переходных процессов нежели централизованная система, так как распределенные системы минимизируют связи между ИП и нагрузкой, в том числе и паразитные. Перестройка систем распределенного питания осуществляется заменой локальных DC/DC преобразователей. Изменение централизованной системы таким же образом может оказаться физически невозможной, так как трассировка печатных плат, расположение и число компонентов могут быть недостаточными для увеличения мощности или числа номиналов выходных напряжений.
При использовании распределенных системах питания, решаются вопросы управления, контроля, диагностики отказов и регистрации состояния системы. Данные системы в большинстве случаев позволяют избежать введения обратной связи по напряжению на нагрузке, а таким образом и проблем, связанных с надежностью и диагностикой.
В распределенных системах питания достаточно просто реализуется возможность контроля и управления параметрами распределенной энергетической системы: выходными напряжениями, воздушным охлаждающим потоком, температурами, экономией электроэнергии во время работы системы от буферной аккумуляторной батареи (АБ), к примеру в период отсутствия напряжения первичной сети. Возможность управления включением/выключением DC/DC преобразователей внешним сигналом малой мощности является наиболее важной и полезной. Данная функция обеспечивает необходимую последовательность в распределении электроэнергии.
Некоторые DC/DC преобразователи позволяют программировать уровни напряжения, при которых преобразователь включается или выключается.
Также есть возможность подстроить выходное напряжение DC/DC преобразователя при помощи фиксированных резисторов и аналоговых переключателей или при помощи цифро-аналогового преобразователя.

С другой стороны, сама концепция распределенного питания дает возможность производителям ИП изготавливать стандартные DC/DC преобразователи. Рост спроса и популярности распределенных систем питания заставляет производителей ИП постоянно совершенствовать продукцию, повышать эксплуатационные характеристики, надежность и снижать стоимость, что возможно только при использовании новых схемотехнических решений, компонентов, технологических процессов и полной
автоматизации производства. Следовательно, распространение распределенных систем электропитания позволяет динамично развиваться индустрии производства ИП.

Вопросы надежности распределенных систем питания.

В распределенной системе питания значительно легче локализовать и устранить неисправности, чем в централизованной системе.
Традиционными методами можно с легкостью реализовать "горячее" резервирование модулей. В следствии чего, появляется возможность переключения всех функций одного ИП на другой в момент появления отказа. Если в распределенной системе выходное напряжение преобразователя начнет по какой-либо причине
возрастать, то это приведет к выходу из строя только одной платы. Перенапряжение на выходе централизованного ИП может вывести из строя электронные компоненты всей функциональной системы. Требования к надежности преобразователей зависят от требований необходимых при построении системы: отказоустойчивость или надежность. По определению, единичный отказ не может привести к выходу из строя отказоустойчивой системы. При построении отказоустойчивой системы необходимо полностью дублировать конструкцию устройства и его самодиагностику. При построении высоконадежной системы только самые маловероятные отказы могут стать причинами выхода ее из строя. Наиболее очевидной потенциальной причиной отказа распределенной системы является единичный отказ основного DC/DC преобразователя (рис.2). В высоконадежных системах используется метод снижения вероятности появления отказов, который заключается в (N + 1)-кратном резервировании основных DC/DC преобразователей (или N + 2 ... N + M), где N — число преобразователей, необходимых для обеспечения заданной мощности в нагрузке. Отказоустойчивые системы должны иметь 2N-кратное резервирование основных DC/DC преобразователей. В тех случаях, когда мощность нагрузки превышает установленную мощность одного DC/DC преобразователя, они соединяются параллельно. Такое соединение также может применяться и при (N + 1)-кратном резервировании. При параллельном соединении преобразователей, необходимо обеспечить одинаковые температурные условия их эксплуатации.
Количество компонентов в распределенных системах питания превышает количество в централизованных. Исходя из этого общая надежность распределенных систем меньше и производители DC/DC преобразователей для распределенных систем постоянно работают над увеличением их надежности. 

Автор статьи: А. В. Лукин.