Межі робочої потужності: Як правильно вибрати джерело живлення

Не всі блоки живлення реагують на перенапруги та низькі напруги та струми однаково. Варто знати компроміси різних підходів до захисту.

Рон Стулл | CUI Inc.
Блоки живлення можуть відчувати робочі умови, що виходять за межі нормально встановлених меж, такі як вхідне перенапруження або перенапруга, або зміни навантаження та температури навколишнього середовища. Ці умови можуть спричинити такі реакції, як відключення, погіршення продуктивності або збої компонентів. Щоб мінімізувати такі труднощі, дизайнери продукції повинні знати, як буде працювати їх постачання поза встановленими межами.

роботи
Вхідні компоненти, вразливі до напруги напруги, як правило, включають компоненти для захисту та фільтрації, такі як X-конденсатори (CX1 та CX2), Y-конденсатори (CY1 та на малюнку CY2) та варістори з оксиду металу (MOV). Усім відомі режими відмов при дії напруг, що перевищують номінальну. Х-конденсатори, також відомі як "конденсатори на всій лінії", використовуються між проводами, що несуть вхідний струм змінного струму. Поломка конденсатора в цьому положенні зазвичай призводить до розмикання запобіжника або автоматичного вимикача. Y-конденсатори, також відомі як «конденсатори від лінії до землі», використовуються там, де вихід конденсатора може призвести до небезпеки ураження електричним струмом у разі втрати заземлення.

На вході джерела живлення коливання напруги на лінії змінного струму можуть надмірно напружувати обов’язкові компоненти захисту та фільтрації, такі як X-конденсатори, Y-конденсатори та варистори з оксиду металу (MOV). Всі вони мають відомі режими відмов при дії напруги, що перевищує номінальну. Наприклад, Х-конденсатори призначені для короткого виходу з ладу і зазвичай розмикають запобіжник, вимикаючи джерело живлення. Y-конденсатори, навпаки, призначені для відключення. Ця несправність може деякий час залишатися непоміченою, хоча конденсатор перестане ефективно фільтрувати загальнорежимний шум.

Вплив перенапруги на запобіжник може залежати від номіналу напруги запобіжника або його витримує напруги. Якщо напруга на запобіжнику перевищує цю номінальну, дуга може перешкодити запобіжнику захистити ланцюг, як передбачалося. Цей стан підвищує ризик пожежі та може спричинити проблеми на вході або в ланцюзі подачі.

Перенапруги можуть також взаємодіяти з паразитуючими елементами в схемі живлення, можливо, посилюючи напругу, пов'язану з напругою на напівпровідниках живлення. У зворотньому перетворювачі пікова напруга на вимикачі живлення визначається комбінацією вхідної напруги та вихідної напруги, а також коефіцієнтом обертів трансформатора та індуктивністю витоку. Цю пікову напругу може бути важко розрахувати, і, як правило, вона повинна вимірюватися безпосередньо.

І навпаки, низька напруга спричиняє більший струм у таких компонентах, як запобіжник, випрямляч та вимикачі живлення. Результатом може стати додаткове внутрішнє нагрівання, яке може призвести до швидкого виходу з ладу або низької надійності. Сильний струм може також спричинити втрату індуктивності або насичення магнітних компонентів, таких як дросель PFC (корекція коефіцієнта потужності). У деяких топологіях такі умови можуть призвести до потенційно пошкоджуючих пікових струмів у вимикачах живлення, підвищення їх робочої частоти, втрати енергоефективності або блокування живлення.

В інших топологіях низька вхідна напруга може впливати на робочу частоту або робочий цикл і спричинити несправність живлення. У резонансних перетворювачах LLC різна робоча частота регулює вихідну напругу. Якщо вхідна напруга падає, частота сповільнюється, щоб посилити коефіцієнт посилення вхідного/вихідного сигналу та підтримувати стабільну вихідну напругу. Однак існує мінімальна частота, нижче якої подальше зменшення зменшує коефіцієнт підсилення, і тому може призвести до несправності або відключення електроживлення.

Перенапруга також може вплинути на схему PFC. Підсилювач-перетворювач PFC перестане регулювати, якщо вхідна напруга підніметься вище вихідної.

Звичайно, існує кілька способів захистити блок живлення від надмірних коливань вхідної напруги. Джерела живлення високої потужності часто мають захист від вимкнення, щоб ініціювати відключення, якщо вхідна напруга опускається нижче заданого порогу. Інші захисні механізми дозволяють блоку живлення продовжувати працювати, хоча продуктивність може постраждати. Наприклад, перетворювач LLC може затискати робочу частоту на мінімальному порозі, щоб запобігти несправності. Хоча це допомагає захистити блок живлення від несправності, це призведе до втрати регулювання на виході.

Вихідний надтоковий

Щоб мінімізувати витрати або зменшити об'єм, проектувальники можуть спокуситись встановити розмір джерела живлення для типових вимог до навантаження без урахування перехідних струмів навантаження вище вибраної номіналу. Більшість джерел живлення містять захист від перенапруги, але існують різні типи. Деякі мають чітко визначену межу струму, близьку до максимальної потужності. Занадто близьке обмеження струму може змусити подачу часто відключати.

У цьому прикладі ефективність джерела живлення потужністю 200 Вт падає на 1% нижче піку при роботі на 20% вище номінальної потужності, в результаті чого розсіювання потужності зростає на 30%. Таким чином, невелика зміна ефективності збільшує розсіювання потужності в геометричній прогресії.

Інші схеми є більш гнучкими і дозволяють короткочасним вихідним струмам перевищувати номінальну межу. Але у постачальників із цим типом захисту (або тих, що не мають захисту) може спостерігатися підвищення температури через надмірний струм, що може погіршити характеристики або призвести до виходу з ладу MOSFET, діодів, резисторів або навіть мідних слідів. Зверніть увагу, що розсіювання потужності зростає лінійно зі струмом у діодах через їх фіксовану напругу та експоненціально в MOSFET та резистивних компонентах.

Дроселі та трансформатори мають більш складну реакцію на перенапруги. Окрім внутрішнього нагрівання від опору котушки, надмірні струми можуть спричиняти більші втрати сердечника та магнітне насичення, погіршуючи розсіювання потужності та підвищення тепла. Насиченість може також зупинити роботу джерела живлення або зробити більш імовірними несправності компонентів. У перетворювачі на долари, де струм пульсацій безпосередньо пов'язаний з індуктивністю, втрата індуктивності внаслідок насичення спричинює більш високі струми в MOSFET і діоді.

Слід також враховувати вплив паразитних індуктивностей, таких як витік трансформатора. Ці ефекти можуть спричинити стрибки напруги, коли перемикачі змінюють стан, стаючи більшими при більших навантаженнях. Надмірний стрибок може зруйнувати MOSFET або може призвести до того, що датчики струму або напруги надсилають недостовірну інформацію контролеру, потенційно шкодячи продуктивності або викликаючи збій.

У деяких джерелах живлення робота, що перевищує вказаний діапазон навантаження, може призвести до того, що вихідна напруга опуститься нижче регульованої межі напруги. Деякі менші запаси також мають мінімальний струм навантаження, нижче якого регулювання випадає.

Варіації ефективності енергопостачання, особливо поблизу максимального номінального навантаження, також впливають на продуктивність та надійність. Ефективність, як правило, досягає піку нижче повного навантаження. Крім піку, ефективність падає, збільшуючи розсіювання потужності експоненціально, коли навантаження зростає. Зростаюча дисипація може не тільки нагрівати компоненти, але і перешкоджати дотриманню обов'язкових норм ефективності.

Іншим фактором є регулювання навантаження - максимальна зміна вихідної напруги від холостого до повного навантаження. Робота, що перевищує вказаний діапазон навантаження, може опустити вихідну напругу нижче регульованої межі напруги. Деякі менші джерела живлення також визначають мінімальний струм навантаження. Експлуатація пристрою нижче цієї межі може порушити регулювання таким же чином, як і перевищення максимального струму навантаження.

Враховуючи довкілля

Вибір джерела живлення також повинен враховувати екологічні умови. Надмірно високі або низькі температури можуть глибоко погіршити продуктивність та надійність. Деякі компоненти, такі як електролітичні конденсатори, можуть знизити термін корисного використання на 50% із підвищенням температури навколишнього середовища лише на 10 ° C. Крім того, низькі температури можуть спричинити такі проблеми, як крихкість паяних з'єднань, з'єднань або відведення компонентів, що призводить до раннього виходу з ладу.

Як верхня, так і нижня межі робочої температури визначені для забезпечення роботи компонентів відповідно до вимог виробників. Їх продуктивність не може бути гарантована поза цим діапазоном. Ігнорування температурних обмежень може погіршити ефективність енергопостачання, пульсацію виходу, регулювання або параметри шумових викидів.

Ключові компоненти джерела живлення можуть мати позитивний або негативний температурний коефіцієнт (PTC або NTC). МОП-транзистори - це пристрої PTC, опір яких підвищується з підвищенням температури. Натомість мостові випрямні діоди є пристроями NTC; оскільки пряма напруга падає зі збільшенням температури, то також відбувається внутрішнє розсіювання енергії та виробництво тепла. Залежно від індивідуального джерела живлення, при зміні температури домінуватимуть пристрої NTC або PTC, що спричинить підвищення або зниження загальної ефективності живлення.

Резистори, які використовуються для відчуття робочих умов та управління джерелом живлення, зазвичай несуть невеликий струм, тому вони, як правило, не вразливі до надмірного нагрівання або розсіювання потужності. Але зміна температури впливає на їх значення опору. Зміна опору може призвести до небажаних змін параметрів електроживлення, таких як регульована вихідна напруга. Інші ефекти можуть включати раннє або пізнє спрацьовування механізмів захисту, які залежать від відчутого струму.

Типова поведінка алюмінієвого електролітичного конденсатора при температурі.

При низьких температурах ємність електролітичних конденсаторів падає, що призводить до збільшення струму пульсацій або виходу з ладу джерела живлення. Крім того, опір пристроїв NTC, таких як терморезистори, що обмежують пусковий струм, зростатиме із зниженням температури навколишнього середовища, що може зменшити ефективність або запобігти запуску.

Деякі джерела живлення містять захист від перегріву і вимикаються, доки температура не впаде в межах зазначеної межі. Інші можуть включати захист лише для певних компонентів або підсхем, що може спричинити проблеми, якщо деякі частини джерела живлення вимикаються, а інші продовжують працювати.

Пристрої PTC, такі як MOSFET, зазвичай розробляються з певним запасом безпеки для захисту від перегрівання. Однак запас залежить від робочих умов, таких як вхідна напруга, і може бути вужчим в деяких частинах робочого діапазону, ніж інші.

Нарешті, дизайнерам слід дослідити вплив перенапруги або низької напруги на електромагнітні випромінювання (ЕМІ). Надмірна або низька напруга на вході, або вихідний надточний струм, можуть змінити властивості компонентів фільтрації ЕМІ або спричинити надмірне напруження, що може погіршити їх роботу. Хоча це важко оцінити, ефект може бути значним і може призвести до недотримання норм електромагнітної сумісності.

Загалом, проектувальники повинні розуміти, як блок живлення може реагувати на всі зміни вводу, виходу чи умов навколишнього середовища, незалежно від того, перебувають вони в заданих межах чи ні. Цей вид інформації допомагає дизайнерам оцінити продуктивність системи, надійність, довговічність та відповідність технічним регламентам.