К вопросу о источниках, помехах и импортозамещении

Документация — это как секс: если она хорошая, то все замечательно, а если не очень… то все равно лучше, чем ничего.

Недавно МойМолодойКоллега выбирал источник для реализации сетевого адаптера и в процессе данной работы были обнаружены интересные и полезные (хотя и не всегда радостные) факты, которыми и хотелось бы поделиться с читателями.

Для начала определимся, какие параметры обязан нам предоставить в документации (и обеспечить их реализацию) производитель источника питания.
Пнп: при этом совершенно неважна страна происхождения источника и его производитель.

Первичные статические параметры, без которых использование источника в разработке вообще не имеет смысла:

1. Рабочий диапазон входного напряжения (минимальное/максимальное рабочее напряжение), в случае переменного входного — еще и частота (и ее границы).
2. Выходное напряжение и гарантируемый ток.
   Еще статические параметры, про которые также не следует забывать:
3. Предельные значения входного напряжения — максимально допустимое напряжение (при выключенном источнике, не приводящее к его повреждению) и напряжение отключения (если оно есть). Необходимо также рассмотреть соответствие стандарту на питание в части допустимых кратковременных выбросов и провалов, а также наличие защиты от переполюсовки (естественно, кроме переменного входного).
4. Нагрузочная способность выхода, включая дерэйтинг по температуре, наличие требований к минимальной нагрузке.

Динамические параметры:

1. Параметры включения источника (софт-старт), максимальная допустимая выходная емкость, пульсации выходного напряжения в диапазоне применения, стабильность выходного при набросе/сбросе входного напряжения и нагрузки.
2. Электромагнитная совместимость, в частности, кондуктивные помехи на входе источника.
   
   Пнп: очень важный показатель, особенно в наше время.

Рассмотрим ситуацию с помехами подробнее — современные с высоким КПД (а значит, импульсные) источники содержат в спектре продуцируемых помех основную составляющую, совпадающую с частотой преобразования и ее нечетные гармоники, которые вполне себе залезают в радио-диапазон, начиная с 1МГц. К счастью, эти помехи имеют дифференциальный характер и хорошо подавляются стандартными фильтрами, несмотря на их не слишком высокую частоту.

К сожалению, в наше время добавились и дополнительные составляющие. Прежде всего,
это помехи переключения, неизбежное следствие высокой эффективности современных ИП, из которой следует необходимость малых потерь на переключение, что приводит к очень резким фронтам на ключах.

Само по себе это еще не катастрофа, но из стремления к уменьшению габаритов вырастает еще одна причина бед с точки зрения помех и называется она печатные трансформаторы. Во-первых, по сравнению с намотанными трансформаторами они имеют значительно большую величину меж-обмоточной емкости, что приводит с появлению намного более неприятной синфазной помехи. Во-вторых, конструкция такого трансформатора исключает возможность применения заземленного экрана, что приводит к значительному увеличению помех, распространяющихся по эфиру. Резюмируя, можно утверждать, что проблема помех для современных малогабаритных высокоэффективных источников питания стоит, что называется, в полный рост.

3. Дополнительные функциональные возможности: защита от превышения выходного тока и ее характер, наличие защиты от пере/недо-напряжения на входе, защита от пере-напряжения на выходе, тепловая защита, дополнительные функции (вынесенная обратная связь, дистанционное управление, индикация состояния, наличие интерфейса управления и контроля и т.д.) редко являются определяющими при выборе конкретного источника, но часто будут приятным бонусом, подтверждающим правильность Вашего выбора.

Мои постоянные читатели наверняка уже забеспокоились — прочитано уже несколько абзацев, а «плач Ярославны» так и не начался, уж не случилось ли что с автором (ведь коронавирус свирепствует). Хочу Вас успокоить, вот-вот начнется, потерпите немного, я не изменил своей (возможно, не самой лучшей) привычке писать о том, что мне не понравилось, начинаю ругать документацию конкретных производителей.

Рассмотрим теперь некоторых конкретных производителей и посмотрим, насколько предоставленная ими документация на (в общем то неплохие) ИП соответствует высоким требованиям автора. Мы будем искать источник на входное переменное напряжение 220В 50Гц (автор знает про новый стандарт сетевого питания, но позволяет себе приводить устоявшееся название) после выпрямителя (игнорируем требование Европейских органов) на выходную мощность 200 Вт, выходное напряжение 24В. В качестве объектов сравнения выбираем отечественного производителя и фирмы с мировым именем.

Для начала рассмотрим продукцию фирмы Murata (я уже представляю как содрогнулись работники этой фирмы, прочитав начало абзаца и зная мой безжалостный характер). Ну и совершенно зря, я собираюсь построить свое повествование по направлению от хорошего к ужасному (которое и подвигло меня на пост) и завершить замечательным. Так что источник производства этой фирмы (я не буду указывать конкретный тип, это неважно) выбран в качестве примера хорошей разработки, параметры источника вполне приемлемые, документация достойная, все необходимые параметры указаны явным образом, в том числе и данные о гарантированном (в смысле непревышения) уровне шума в виде короткой строки относительно соответствия стандарту. Единственный недостаток данного изделия (кроме входного напряжения, которое не попало в диапазон) — его производитель, что делает шансы на обнаружение изделия в перечне МОП весьма призрачными.

Пнп: многие читатели поняли, в интересах какого ведомства производит продукцию предприятие, на котором работает автор поста, всем же недогадавшимся можно только позавидовать.

Рядом стоит источник от не менее известной фирмы TRACO и о нем можно сказать практически все то же самое, что и сказано выше. Я взял их просто для того, чтобы показать, что приличная документация в принципе существует, потому что сейчас начнется…

Теперь рассмотрим документацию на источник серии DCM фирмы Vicor.

Продукция этой фирмы всегда стояла несколько особняком вследствие того, что рабочие частоты преобразователей превышали (порой кратно) аналогичный показатель других производителей. Это обстоятельство приводило к существенному росту удельной мощности ИП фирмы и обуславливало некую эксклюзивность продукции.

Пнп: например, рассматриваемый источник имеет удельную мощность на единицу объема почти в 3 раза выше, нежели ранее рассматриваемый аналог, смотрите таблицу в конце поста

Если Вам действительно нужен ультра-компактный источник питания и не смущает необходимость заплатить за него в 2 раза больше, то Ваш выбор определен, в противном случае у Вас есть варианты.

Обратной стороной компактности является повышенное тепловыделение на единицу площади поверхности, пригодной для съема тепла. Чтобы нивелировать влияние последнего фактора, в источниках рассматриваемой серии предусмотрено снятие тепла как с верхней части корпуса источника (через радиатор), так и с нижней части (через плату), для чего на нижней части корпуса предусмотрены специальные термопады, что не может не радовать конструктора.

Пнп: Следует отметить, что в последних разработках фирмы частота преобразования не то, что не растет, но даже снижается. Лично я считаю, что это произошло вследствие применения карбид-кремниевых приборов, но я могу и ошибаться, тем на менее, факт имеет место.

Но вернемся же к нашим баранам рассмотрим, наконец, документацию. Ищем интересующий нас показатель — уровень помех, вполне вероятно, что он будет значительным. И видим, что уважаемая фирма просто не предоставляет НИКАКИХ данных об этом параметре выпускаемого источника. Не предоставляет совершенно ничего, от слова совсем, даже не то, чтобы рисунков спектральной плотности помех, но нет ни одной фразы о соответствии каким либо действующим стандартам.

Пнп: когда я говорю о рисунке, то я имею в виду именно рисунок, поскольку, когда на размещенном в документации арт-объекте не указаны условия измерения и (самое главное) не приведены линии, гарантированно ограничивающие сверху измеряемые параметры, а вместо этого внизу есть фраза «Типовые значения», то это картинка, или рисунок, или иллюстрация, но никак не часть технической документации на изделие, определяющая его гарантированные параметры.

Вместо этих данных в документации (в руководстве по применению, не на конкретное устройство, а на серию) есть целый раздел, который называется «Common-Mode Noise Filter Design Steps». В нем нам предлагают выполнить следующие шаги:

1. «Determine the AC ripple magnitude over the frequency range of interest using the EMI spectrum analyzer and compare the measured AC ripple magnitude with the EMI standard limit line», что я склонен перевести, как «измерить имеющиеся на конкретном экземпляре источника при конкретной нагрузке уровни кондуктивных помех при помощи соответствующего оборудования и определить наибольшее превышение по отношению к требуемым параметрами»,
2. рассчитать (при помощи любезно представляемой на сайте изготовителя программы) необходимые параметры фильтра, после чего,
3. установить конкретный фильтр и проблема будет решена.

Ребята, Вы это серьезно (а я и не знал, что так можно)?

Пнп: начиная с этого момента, и до специально обозначенного момента, термин «Вы» я буду применять не к моим читателям, а к работникам фирмы, хотя не исключено (при этом маловероятно), что эти две категории могут пересекаться. Ну и заодно к тем читателям, которые выскажутся в комментариях в стиле «А че такого, все так делают...».

Ну, во-первых, сама идея измерять помехи на конкретном экземпляре ИП (и на основании этих измерений делать какие-то далеко идущие выводы) мне представляется настолько же креативной, насколько и противоречащей принципам классического инженерного подхода. Что я должен буду делать, если на другом экземпляре ИП будут наблюдаться несколько иные (более высокие) показатели помех? Могу ли я проецировать полученные в конкретных условиях данные на разработку с иным характером нагрузки? Можно придумать еще множество вопросов подобного плана, на которые ни у кого ответа не будет (у меня их точно нет, но, наверное, я не все знаю).

Ну и так, между прочим, оборудование и необходимые приборы для проведения подобных измерений (если речь идет именно об измерительном приборе, а не об индикаторе), стоИт отнюдь не на каждом рабочем месте и даже не в каждой лаборатории, поскольку стОит совсем не маленькие деньги.

Во-вторых, Ваша методика расчета (реализованная в программе) сильно напоминает расчет сферического коня в вакууме, поскольку совершенно не учитывает наличие входной емкости у ИП, как такового, и подразумевает (для расчета добротности фильтра) нулевые потери как в ИП, так и в элементах фильтра, что несколько противоречит имеющемуся у меня практическому опыту.

В-третьих, почему Вы так уверены, что помеха в Вашем источнике имеет исключительно дифференциальный характер, поскольку предлагаемая схема фильтра в борьбе с синфазной помехой бесполезна чуть менее, чем полностью.

Необходимое примечание: я еще не успел опубликовать данный пост (обычно они у меня долго лежат в папке неоконченное), а фирма уже приняла меры — в новой версии указанного документа на странице 37 в том же самом разделе в параграфе 1 нам теперь предлагается самостоятельно определить синфазную и дифференциальную составляющую помехи (опять-таки при помощи прямых измерений конкретного экземпляра), далее — как и раньше (только ссылку на программу убрали, ну и слава Богу).

Пнп: Замечание в свете вышеизложенного, не пора ли в документации на ИП отдельно указывать обе составляющие помехи (хотя бы для сферического вакуума, поскольку одна из них точно сильно зависит от конкретного устройства), чтобы эффективнее проектировать фильтр в случае необходимости.

Возникает логичный вопрос — как могла подобную документацию выпустить фирма, представленная на рынке не первый год. Единственный приходящий мне в голову ответ — в рассматриваемых изделиях в плане помех все настолько плохо, что маркетологи посоветовали не размещать данные в документации, а применить совершенно «гениальный» ход с перекладыванием работы отдела разработки на плечи потребителя ИП.

Мой коллега высказал противоположное мнение — в данной серии источников все настолько хорошо в плане ЭМС, что работники фирмы посчитали совершенно излишним включать соответствующие данные в документацию. Точка зрения небезинтересная, поскольку уровень помех в готовом изделии может (и будет) меняться в зависимости от конструктивных особенностей последнего и, если собственные помехи источника действительно малы, то давать какие либо гарантии без учета конкретики использования сложно. Поскольку конкретного экземпляра источника у меня нет, подтвердить одну из гипотез результатами измерений не представляется возможным. Однако уже имеющийся у меня опыт работы с источниками этой фирмы в пользу данной гипотезы отнюдь не свидетельствует.

Ну и вишенка на торте (на торте должна быть вишенка, воут) почему-то ссылка на инструкцию по использованию не указана в справочных данных на прибор, и мы должны догадываться о ее важности. Должен заявить, что сам по себе документ выполнен вполне добротно, имеются рекомендованные схемы включения и на них есть элементы для снижения уровня помех, причем обоих типов. Также дано множество полезной информации, как то: диаграмма состояний прибора (что редко встречается), временные диаграммы переходных процессов и множество других интересных и практически ценных рекомендаций, так что если бы необходимость ознакомиться с этим документом была напрямую и недвусмысленно прописана в основной документации, то я был бы только рад. Причем указание должно быть не в последнем абзаце (редкая птица долетит до середины Днепра читает техническую документацию до конца) и не в примечании мелким шрифтом (еще более редкая птица читает примечания), а в самых первых строках спецификации и жирным шрифтом (хотя бывают птицы, которым и это не поможет, но тут медицина бессильна).

Пнп: почему то в документации на более старую серию источников той же фирмы (Mini) именно так и было сделано и ссылка на руководство по применению стояла на первой странице документации, значит, фирма раньше это умела. Да и сейчас руководство от нас не прячут, ссылка на него дана на странице серии ИП, но это все равно хуже, чем в документации.

Резюмирую: в документации на данную конкретную серию ИП данные о помехах (как кондуктивных, так и излучаемых) полностью отсутствуют и единственная рекомендация, которую я могу дать разработчикам — не используйте эти источники вообще, поскольку вы ничего не можете гарантировать в плане ЭМС, если подобные требования заложены в вашем ТЗ.
Пнп: если же они не заданы, то не принимайтесь за подобную разработку, поскольку они все равно всплывут в самый последний момент в самом неприятном (жестком) виде и виноваты будут именно разработчики.

Хотя должен признать, что первичные параметры источника выглядят весьма привлекательно.

Ну или второй вариант- воспользуйтесь классическими схемами подавления помех (они приведены прямо в руководстве по применению), в расчете на самый неприятный случай (раз уж Вы (вот тут я снова обращаюсь к читателям) ничего не знаете о параметрах источника, то я даже и не знаю, что будет наихудшим случаем) поставьте многозвенный фильтр, ну а потом спросите себя — на фиг мне такой малогабаритный источник, если я еще должен на двукратный его объем фильтров нагородить, не лучше ли взять источник другой фирмы, которая в своей документации дает вполне конкретные гарантии.

А теперь, в соответствии с ранее намеченным планом, представляю Вам идеальную (в плане документации — далее я напишу об этой оговорке) серию источников питания МДМ-П от фирмы АЕ-ДОН. Чтобы меня не заподозрили в предвзятости, смотрите мои старые посты, где я данную фирму, бывало, и слегка ругал. Почему слегка — потому, что я очень хорошо понимаю, в каких условиях они разрабатывают и производят свои изделия, но в данном случае нет повода для снисхождения и недовольства.

Речь идет в первую очередь о том, что на сайте данной фирмы вы можете обнаружить (кроме листовок и таблиц) технические условия (ТУ) на данную серию источников. Причем размещена не выписка из ТУ, как стало модно в последнее время (и как было раньше у этой фирмы) и Вам не надо оформлять запрос на доступ к материалам, и Вам не надо покупать ТУ (в принципе, деньги смешные, но сколько приходится ждать, пока оно доберется до Вас), а просто так заходишь на сайт и скачиваешь, прямо сказка какая-то, оказывается, так можно было.

Почему такой подход важен и ценен — опять таки речь о помехах. Прежде всего, в ТУ явно указано соответствие этого параметра требованиям ГОСТ В 25803 в различных методах включения. Далее, поскольку ТУ является документом прямого действия, в соответствующих разделах приведена методика измерений и схемы подключений, что позволяет Вам (при необходимости) их воспроизвести и удостовериться, что конкретный экземпляр источника соответствует заявленным параметрам и имеющиеся у Вас проблемы с помехами при испытании изделия не вызваны источником, как таковым (stand-alone).

Можно только поддержать обеими руками такую практику предоставления документации и пожелать ее максимально широкого распространения на другие изделия отечественных производителей.

К сожалению, сами (идеально определенные) параметры источников не вполне идеальны. В частности, плотность мощности уступает первому и второму из рассматриваемых источников в 4 раза, а второму и вообще в 11 раз. Впрочем, если правда то, что пишут разработчики фирмы и они действительно реализовали последние серии на отечественных компонентах, то это значительный успех фирмы. Да, получить на отечественных (без дураков) комплектующих прибор, всего лишь в 3 раза уступающий (в смысле больший) по объему импортному аналогу — это достижение, такова суровая реальность, в которой мы живем.

Ну и что касается темы поста, то тоже все непросто. Указан уровень шумов источников мощностью до 160 Вт без применения фильтра (фраза несколько лукавая, если посмотреть на схему измерений) — в соответствии с кривой 2 ГОСТ. Указано соответствие кривой 1 в случае применения источника совместно с фильтром производства этой же фирмы при мощности до 240 Вт. Указано соответствие кривой 3 для источников мощностью свыше 240 Вт без фильтра (опять смотрим схему измерений и убеждаемся, что фильтр все-таки есть, просто он набран из рассыпухи). На этом информация обрывается, я допускаю, что фирма не выпускает фильтры на высокую проходную мощность, но можно было бы привести схему фильтра, необходимого для снижения помех источников высокой мощности до уровня кривой 2 и даже до 1.

Да, конечно, такие данные на являются предметом ТУ в его классическом понимании, но их можно было бы разместить в разделе справочной информации. Но это мое оценочное мнение, высказанное в частном порядке, в любом случае выражаю свою благодарность разработчикам из «АЕ-Дон» за то, что уже сделано и Вы можете идти на применение данной серии с открытыми глазами, отлично понимая, что именно Вас ожидает. Кстати, у этой фирмы есть еще и серия МДМ-Р, которая почти не уступает по плотности мощности именитым соперникам (ну, конечно, кроме VICOR, с ними никто по этому параметру не конкурирует), жаль, что входное не подходит под нашу задачу.

Сравнительная таблица параметров