Monilähtöisen teholähteen valvonta ja suojaus

Abstract

Tämän työn tarkoituksena oli suunnitella n. 200 W:n teholle monilähtöinen DC/DC teholähde, joka muuttaa akuston jännitteen useiksi lähtöjännitteiksi. Työssä painotettiin erityisesti teholähteen valvontaa ja suojausta. Tavoitteena oli, että laite tulee korvaamaan asiakasyrityksen vanhan teholähteen. Suunnittelun pohjana käytettiin vanhan laitteen spefikaation lisäksi rautatiestandardia EN50155. Laitteen suunnittelussa pyrittiin alusta asti huomioimaan sähkömagneettiset häiriöt ja vaativan käyttöympäristön asettamat vaatimukset.

Laite suunniteltiin diskreettejen komponenttejen sijaan hyödyntäen valmiita DC/DC moduuleja, joilla on hyvä hyötysuhde. Sähkömagneettinen yhteensopivuus huomioitiin suunnittelemalla laitteen tulo- ja lähtöpuolelle suodatukset ja panostamalla piirilevysuunnitteluun. EMC-suunnittelun onnistuminen varmistettiin Turun AMK:n EMC laboratoriossa tehdyin mittauksin. Laitteeseen jokaiselle lähdölle suunniteltiin yli- ja alijännitesuojaukset sekä ylivirtasuojaus, jotka sammuttavat teholähteen lähdön mahdollisessa vikatilanteessa laitteiden rikkoontumisen estämiseksi.

Suunnittelun onnistuminen varmistettiin testaamalla valmistettu prototyyppi labratoriolosuhteissa. Suojausten lisäksi testattiin laitteen kuormituksen kesto ja lähtöjen pysyminen asetettujen toleranssien sisällä. Testattu prototyyppi pysyi annettujen toleranssien sisällä ja alitti standardin EN50155 määrittämät häiriösäteilyrajat.

In this paper a design of a power supply unit with several outputs and output power of 200 watts is presented. The power supply converts accumulator voltage into several output voltages. Monitoring and protection of the power supply are emphasized. Power supply unit was to replace the customer’s old device. The designing process was based on standard EN50155 and partly the specification of the old device. From the very beginning electromagnetic compatibility and requirements of the environment were taken into account in the design process.

Instead of using discrete components the power supply unit was built using DC/DC modules with a good operating efficiency. A printed circuit board was carefully designed and filtering for inputs and outputs of the DC/DC modules were designed in order to enhance electromagnetic compatibility. EMC testing was carried out in the EMC laboratory of Turku University of Applied Sciences. Over and under voltage protections were designed for all outputs. In addition, over current protection was designed. These protections would shut down the power supply unit in an event of failure to prevent any damage for the equipment in use.

The success of the design was verified by comprehensive testing of a prototype device. In addition to the testing of protection circuits also temperature and load testing were accomplished. The tested prototype device passed all the tests that were carried out.