Експрес-режим: двосічний меч

Автор:
Ділан Хауз, інженер з програм, TT Electronics

Дата
07.06.2019

Розумні стратегії дозволяють уникнути несприятливого, а часто і непередбачуваного впливу на випромінювання РЧ та сумісність кінцевих продуктів

Клацніть на зображення, щоб збільшити

Рисунок 1: Форма сигналу Vg при відносно важкому резистивному навантаженні. (f = 100 кГц)

У відповідь на постійно змінювані стандарти енергоефективності виробники енергоресурсів використовують режим імпульсного режиму (серед безлічі інших стратегій енергозбереження), щоб зменшити споживання енергії в режимі очікування зовнішніх адаптерів живлення. Ефективні методи перетворення не обходяться без певних витрат. Режим серійного режиму може мати несприятливий, а часто і непередбачуваний вплив на випромінювання РЧ та сумісність кінцевих продуктів. Ця стаття надасть короткий огляд потенційних проблем та деякі можливі шляхи їх вирішення.

Коли в 2016 році Міністерство енергетики (DoE) запровадило свої звичні вимоги до ефективності VI рівня, виробники електронного обладнання по всьому світу мали зреагувати - прийняти нові стратегії, розроблені для задоволення нових жорстких вимог щодо ефективності середнього активного режиму та спокою споживання енергії. Зараз, коли законодавство рівня 2 Кодексу поведінки (CoC) наближається до прийняття в Європейському Союзі, схожа галузева тенденція набуває чинності. Нове законодавство вимагатиме, щоб вхідна потужність без навантаження для деяких зовнішніх адаптерів не перевищувала 75 мВт, а також визначатиме складну цільову ефективність для роботи при 10% від номінального навантаження. Виконання будь-якого з цих мандатів не є малим подвигом для енергопостачання, і використання режиму серійного режиму буде продовжувати виявлятись важливим у проектах, що рухаються вперед.

Burst-режим - це робочий режим, при якому ланцюг управління джерелом живлення та комутаційна схема (а іноді і додаткові функції) періодично вимикаються, коли навантаження постійного струму (DC) особливо слабка або відсутня. Характеристику можна розглядати як керуючий сигнал із робочим циклом, пропорційним навантаженню, накладеному на стандартний комутаційний сигнал з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), який сам по собі є імпульсним сигналом із часом включення, пропорційним миттєве навантаження постійного струму. "Шлюзовий сигнал" у режимі серійної передачі просто має набагато довший період, так що кілька імпульсів ШІМ виникають під час одного "сплеску". Порівняно кажучи, багато енергії втрачається, коли напівпровідниковий польовий транзистор (MOSFET) з оксидом металу перемикає стан, що відбувається під час кожного циклу роботи стандартного імпульсного джерела живлення (SMPS). Ці втрати за одиницю часу пропорційні частоті перемикання (оскільки перемикач частіше змінює стан за одиницю часу). Якщо навантаження постійного струму невелика, і не потрібно переводити багато енергії з первинного на вторинне, робочий цикл ШІМ зменшиться до деякого мінімального значення, але інакше все одно мінятиме стан так само часто, припускаючи, що пристрій з фіксованою частотою.

Оскільки зміна робочого циклу ШІМ-сигналу не обов'язково впливає на ефективність, ідея додаткового шиберного сигналу полягає в тому, щоб повністю виключити цикли перемикання, які не потрібні для утримання навантаження, ефективно зменшуючи втрати від перемикання. Це важлива практика не тільки для роботи без навантаження (зменшення споживання в спокої), але і для роботи з невеликим навантаженням, оскільки домінування будь-якого механізму втрат помітно більше, коли вихідна потужність невелика. Для прикладу цього робочого режиму на малюнку 1 показаний імпульсний сигнал затвора MOSFET (Vg) репрезентативного джерела живлення під час роботи під великим резистивним навантаженням (звичайний, періодичний імпульсний механізм з фіксованим періодом та фіксованим робочим циклом), тоді як на малюнку 2 показано Vg при блок живлення працює в режимі вільного ходу. Малюнок 3 показує збільшений вигляд "сплесків", показаних на малюнку 2. Зверніть увагу, що початковий імпульсний блок не змінив частоту, а навпаки, цілі сегменти імпульсного механізму були виведені назовні, усуваючи безліч переходів MOSFET.

Клацніть на зображення, щоб збільшити

Малюнок 2: Імпульсний блок Vg, який замикається в режимі імпульсу. Окремі ШІМ-імпульси не видно через масштаб часу (див. Малюнок 3 для крупного плану)

Клацніть на зображення, щоб збільшити

Малюнок 3: Збільшене зображення з огляду на початок “сплеску”. ШІМ частота імпульсів не змінюється

Незважаючи на те, що робота в режимі серійного режиму є інноваційним підходом до зменшення втрат без навантаження та легких навантажень, все ж є ряд конструктивних наслідків, які слід врахувати. Ось два випадки, коли ми спостерігали проблеми сумісності додатків, які простежуються до режиму пакетного режиму.

Випадок 1: Надмірне коливання напруги постійного струму

За одним сценарієм споживача кілька блоків живлення (БП) не спрацювали з частиною процесу вхідної перевірки. Обладнання замовника не запускалося, коли деякі перетворювачі подавали живлення. Однак їхня програма деякий час готувалась, і вони робили регулярні замовлення без жодних повідомлень про проблеми. Виробник прагнув зрозуміти, чому деякі невеликі підрозділи не проходять.

Клієнт повернув кілька одиниць для оцінки. Коли виробник отримав повернуті блоки, вони швидко виявили потенційну проблему: хоча вихідна напруга могла виглядати стабільною при вимірюванні цифровим вольтметром, сканування осцилографа показало, що вихідна напруга швидко коливається на цілих 5% від номінального постійного струму рівень, коли джерела живлення були розвантажені або злегка завантажені. Це досить поширений артефакт роботи в режимі серійного режиму, оскільки вторинна сторона перетворювача отримує свою енергію дискретними та розділеними шматками. Ступінь коливань була не дуже послідовною для всіх вибіркових одиниць, ймовірно, через допуски в контрольній інтегральній схемі (ІС). Під час обговорень із замовником виробник блоку живлення дізнався, що навантаження на холостий хід пристрою дуже мала, і що в системі є ланцюг блокування під напругою, який не дозволить їй увімкнутись із низьким, або в даному випадку, надмірно шумним вхідна напруга. Для прикладу репрезентативних форм хвиль на малюнку 4 показано порівняння змінного струму перетворювача постійного струму перетворювача, що працює в режимі імпульсу, проти нормального режиму роботи. Зверніть увагу, що піки форми пилкоподібної форми хвилі одночасно з енергетичними сплесками, показаними на малюнку 2.

Клацніть на зображення, щоб збільшити

Рисунок 4: Вихід постійного струму під час режиму серійного режиму (ліворуч) та під час нормальної роботи (праворуч)

Поки вихідна напруга все ще залишалася в межах специфікації виробника +/− 5%, форма сигналу, пов'язана з режимом імпульсного режиму, призвела до того, що обладнання перейшло в режим блокування під напругою і залишалося заблокованим. Щоб вирішити проблему, виробник зміг відрегулювати задане значення активації режиму імпульсного блоку живлення так, щоб воно було трохи нижче найгіршого спокійного навантаження обладнання. Як результат, замовник не мусив вносити жодних змін в своє обладнання, в той же час все ще зумівши задовольнити вимоги щодо енергоспоживання без навантаження, пов'язані з DoE Level VI.

Випадок 2: РЧ випромінювання

В іншому випадку клієнт модернізував нове джерело живлення, що відповідає рівню VI, під час редизайну продукту. Звичайно, нову систему потрібно було переглянути за чинними стандартами безпеки та електромагнітної сумісності (ЕМС) для обладнання інформаційних технологій (ITE). Коли випробувальна лабораторія ЕМС оцінювала систему щодо електромагнітної сумісності, вони виявили, що система перевищувала межі викидів на холостому ходу, але проходила під час нормальної роботи системи. Це породило трохи загадки, оскільки джерела живлення, як правило, виявляють найбільші викиди при повному навантаженні. Подальша оцінка, однак, показала, що навантаження клієнта на холостому ходу була настільки низькою, що джерело живлення все ще працювало в режимі спалаху. В результаті резонансної топології перетворювачів викиди БП були надзвичайно низькими під час нормальної роботи, а насправді вищими при невеликому навантаженні.

Незважаючи на те, що блок живлення пройшов тестування на викиди при невеликому навантаженні самостійно, запас пропуску був у межах декількох дБ. Поєднання викидів електроживлення та викидів обладнання в цих умовах було достатнім, щоб викликати збій на рівні системи. Огляд контрольних ІС в режимі імпульсного режиму виявив корінь проблеми.

Для цього конкретного мікросхеми управління, що працює в режимі імпульсу, частота перемикання фактично модулювалася у великому діапазоні і не була фіксованою. Робота з фіксованою частотою була відновлена при більших навантаженнях. Частоти перемикання легкого навантаження не були настільки ефективно ослаблені перетворювачами ЕМС-фільтрів, які були розроблені для нормальної робочої частоти. До того ж, хоча це не так у цій конкретній ситуації, імпульсна робота перетворювачів більшої потужності також часто супроводжується вимкненням будь-якої схеми корекції коефіцієнта активної потужності (PFC), оскільки норми струму серії 61000 не застосовуються до світлових умови експлуатації навантаження. Це відключення сприяє випуску вмісту гармоніки в мережу, а також, можливо, на зовнішні випромінювачі (кабелі), які інакше пом'якшуються активним ПФУ. Подібно до першого прикладу, виробник зміг налаштувати задане значення режиму серійного вибору на відповідний рівень для застосування і при цьому підтримувати споживання енергії без навантаження в межах.

Завдяки постійному зростанню використання продуктів перетворення енергії в домашніх господарствах та офісах у всьому світі, мандати щодо ефективності та технологічний прогрес, що робить їх можливими, є абсолютно важливими. Однак важливо врахувати наслідки цих заходів щодо підвищення ефективності. В обох випадках, описаних у цій статті, рішення було відносно простим і вимагало дуже незначного перероблення. Надалі, коли вимоги до ефективності стають дедалі жорсткішими, а технології енергопостачання ускладнюються, потрібно буде розглянути додаткові заходи для пом'якшення побічних ефектів, викликаних цими новими технологіями.