Які недоліки перевищення вихідного струму джерела живлення?

6 листопада 2018 року Рон Стулл - 7 хвилин читання

Ласкаво просимо до частини 2 нашої серії "Просування меж", де ми заглиблюємось у питання, яке часто чуємо на CUI, "Що робити, якщо я працюю з джерелом живлення за межами певного діапазону специфікацій?" У частині 1 ми розглянули специфікацію вхідної напруги. Тепер у частині 2 ми розглянемо вихідний струм та проблеми, які можуть виникнути при перевищенні специфікації вихідного струму.

Обмеження вихідного струму

Номінальний вихідний струм є однією з найважливіших специфікацій при виборі джерела живлення. Це відіграє велику роль у визначенні розміру та вартості блоку, що змушує дизайнерів вибирати джерела живлення, які мають достатньо струму, щоб задовольнити їхні потреби. У цих випадках спокусливим є для проектувальника вибрати блок живлення, який адресований "нормальному" робочому струму, щоб заощадити на витратах і розмірах, припускаючи, що він може обробляти пікові струми протягом короткого часу. Цей самий напрямок мислення стосується і мінімальної межі струму. Однак перевищення максимальних або мінімальних поточних характеристик може призвести до кількох проблем, включаючи погіршення продуктивності, захищене відключення або навіть вихід з ладу компонента.

Перевищення граничних значень вихідного струму - Проблеми з продуктивністю

Ефективність, регулювання та електромагнітні випромінювання (ЕМІ) є одними з найважливіших специфікацій, на які впливає експлуатація джерела живлення за межами його номінального вихідного струму.

Зі збільшенням вихідного струму зростає і вихідна потужність. Якби коефіцієнт корисної дії був зафіксований на навантаженні, додатковий струм призвів би до лінійного збільшення розсіювання потужності всередині джерела живлення. Ці додаткові втрати потужності призводять до підвищення температури компонента, що може призвести до теплового збою. На практиці малоймовірно, що ефективність залишатиметься постійною, і, як показано на графіку нижче, загальноприйнятим для джерела живлення є досягнення пікової ефективності до максимального навантаження, що призводить до ефективності, яка зменшується після його номінального струму. Це призводить до експоненціального збільшення розсіювання потужності щодо збільшення навантаження, в результаті чого максимальна температура падає набагато швидше, ніж якби ефективність була постійною. На додаток до теплових проблем, ефективність падіння може призвести до того, що джерело живлення та/або система порушить норми ефективності. Як далі видно з графіку, при роботі джерела живлення на 20%, перевищує номінальне навантаження 200 Вт, ефективність падає на повний відсоток нижче, ніж його 91%. Це призводить до збільшення розсіювання потужності на 30%.

Ефективність та розсіювання потужності джерела живлення змінного струму постійного струму 200 Вт

Регулювання навантаження - ще одна проблематична специфікація при роботі поза номінальним вихідним струмом. Регулювання навантаження повідомляє користувачеві максимальну величину, на яку можна очікувати зміни вихідної напруги, коли навантаження змінюється між відсутністю навантаження та повною навантаженням. На графіку нижче наведено приклад регулювання навантаження джерела живлення змінного струму на 200 Вт. Цей конкретний блок живлення має вихідну напругу, яка падає зі збільшенням струму. Однак це не завжди так, оскільки на деяких джерелах живлення вихідна напруга збільшується із навантаженням. У будь-якому випадку, робота за межами зазначеного діапазону струму може призвести до переміщення вихідної напруги за межі специфікації регулювання навантаження, що призведе до проблем у додатках, які не можуть приймати напруги поза цим діапазоном.

Програми з вузьким діапазоном вхідного сигналу часто використовують переваги зовнішніх підключень, що регулюють вихідну напругу на навантаженні, а не на виході джерела живлення. При зовнішньому зондуванні падіння вихідної напруги, яке зазвичай виникає між джерелом живлення та навантаженням, компенсується збільшенням вихідної напруги джерела живлення. Як результат, часто існує специфікація максимальної напруги, яку можна компенсувати, щоб запобігти пошкодженню джерела живлення через підвищену напругу.

Регулювання вихідної напруги на 200 Вт змінного струму

У джерелах живлення з мінімальним номінальним струмом робота, що перевищує цю межу, також може спричинити роботу пристрою поза межами нормативних вимог. Ці джерела живлення часто є невеликими, менш дорогими блоками з простими схемами управління, які не призначені для вирішення проблем, що виникають при невеликих навантаженнях. Мінімальний струм також може бути заданий у декількох вихідних джерелах живлення, який необхідний для регулювання вторинних виходів у зазначених межах.

Останньою, менш очевидною проблемою, пов’язаною з вихідним струмом, є збільшення ЕМІ. Імпульсні джерела живлення - це електрично шумні пристрої, і багато місця на платі відведено для компонентів фільтрів, щоб допомогти їм відповідати нормативним вимогам; зазвичай достатньо, щоб пройти необхідне тестування. Навіть при роботі в межах зазначеного діапазону навантажень виникають проблеми при використанні з певними навантаженнями. Загалом, очікується, що величина ЕМІ зростатиме із навантаженням, а робота, що перевищує максимальне навантаження, може виштовхнути ЕМІ вище порогу відмови. Це додатково ускладнюється, якщо фільтр стає менш ефективним при більших навантаженнях. Підвищений струм та/або температура в цих компонентах може також змінити їх значення та змінити реакцію фільтра.

Перевищення граничних значень вихідного струму - захищене відключення

Проблеми, пов'язані зі специфікацією, описані вище, передбачають, що джерело живлення дозволить користувачеві працювати вище максимального вихідного струму. Однак більшість джерел живлення оснащені певною формою захисту від струму, яка запобігає перевантаженню навантаження певним порогом струму.

Деякі джерела живлення мають чітко визначений поріг, ближчий до номінальної потужності, за якою вмикається захист від перенапруги. Користувачі, які намагаються встановити розмір свого джерела живлення для номінального струму і дозволяють піковим потребам струму перевищувати номінальний струм, також можуть побачити, що вихід відключений завдяки цьому захисту.

Інші схеми захисту мають більш широкі допуски, що дозволяють навантаженню значно перевищувати максимальну номінальну потужність. Порогові різниці між окремими поставками можуть спричинити проблеми, якщо захист увімкнено в одних, а в інших не. Якщо вихід не відключається, подача буде працювати вище максимального струму, що призведе до проблем, пов'язаних зі специфікацією, або відмови.

Крім того, більш складні джерела живлення пропонують захист від струму, що падає нижче мінімального значення, тоді як інші повністю відключають роботу в цих умовах. Джерела живлення, які не можуть надійно регулювати себе при невеликих навантаженнях, призведуть до надмірної напруги на виході, що також може викликати захист.

Перевищення граничних значень вихідного струму - несправність компонента

Хоча попередні проблеми не завжди спричиняють збій або пошкодження елементів живлення, багато компонентів зазнають додаткової напруги та/або напруги струму внаслідок збільшення струму навантаження, ставлячи їх до більшого ризику.

Зі збільшенням вихідного струму відбувається подібне збільшення струмів компонентів у всьому силовому механізмі. Такі компоненти, як МОП-транзистори, діоди, резистори і навіть мідні сліди, бачитимуть посилене розсіювання потужності та нагрівання через збільшення струму. Діоди та інші компоненти з фіксованою напругою спостерігатимуть лінійне збільшення розсіювання потужності, тоді як МОП-транзистори та компоненти з резистивними елементами будуть демонструвати експоненціальне зростання розсіювання потужності щодо збільшення навантаження. В обох випадках це призведе до підвищення температури, зниження надійності та збільшення ризику виходу з ладу.

Магнітні компоненти, такі як дроселі та трансформатори, хоча і відчувають підвищені втрати провідності, як попередні компоненти, також можуть зіткнутися зі збільшеними втратами в сердечнику і бути переведені в насичення, що призведе до подальших втрат і виробництва тепла. Насичені магніти також можуть призвести до припинення роботи джерела живлення або генерування підвищених струмів в інших компонентах, таких як MOSFET і діоди. Наприклад, в доларовому перетворювачі струм пульсацій безпосередньо пов'язаний з індуктивністю. Коли індуктивність почне падати, пікові струми в MOSFET і в результаті діод збільшиться.

На додаток до дискретних магнітних компонентів існують також паразитні індуктивності, такі як індуктивність витоку трансформатора. Ці паразитарні компоненти викликають стрибки напруги, коли перемикач змінює стан, і величина цього спайка зростає із навантаженням. У випадку витоку трансформатора, стрибок напруги подається через MOSFET і може призвести до його виходу з ладу, якщо він занадто великий. Інші компоненти, такі як ті, що відчувають напруги та струми, будуть відчувати ці стрибки напруги, що призведе до того, що контролер отримуватиме неправильну інформацію про напругу та струм - що призведе до поганої роботи або відмови.

Висновок

Потужність, розмір та вартість - це всі важливі фактори при виборі джерела живлення. На жаль, покращення одного часто зворотно впливає на інші, причому більша потужність зазвичай означає більший та/або дорожчий джерело живлення. Навіть незважаючи на це, користувачі часто намагаються змусити всі три фактори відкрити себе потенційним проблемам. Вихідний струм є однією з таких областей, яка впливає майже на всі компоненти джерела живлення. Деякі ефекти очевидні, тоді як інші легко не помітити і спричинити негайні або довгострокові проблеми. Перш ніж працювати за межами номінального вихідного струму джерела живлення, користувач повинен проконсультуватися з виробником джерела живлення, щоб зрозуміти ризики цього або знайти альтернативне рішення.