Основи управління живленням: характеристики енергопостачання

В даний час методи розподіленого живлення, які називаються архітектурою розподіленого живлення (DPA), використовуються для систем, що розсіюють сотні ват. Підхід DPA перетворює вхідну лінію змінного струму на напругу шини постійного струму, яка зазвичай називається фронтальним джерелом живлення

Характеристики джерела живлення впливають на конструкцію підсистеми управління енергією. Дві основні характеристики - це ефективність та продуктивність у заданому діапазоні температур, що може вимагати охолодження. Крім того, існують важливі характеристики, які захищають джерело живлення та його навантаження від пошкоджень, такі як перенапруга, перегрівання та перенапруга тощо. Потім існують робочі параметри, що описують роботу джерела живлення, такі як дрейф, динамічна реакція, регулювання лінії, регулювання навантаження тощо.

Ефективність визначає теплові та електричні втрати в системі, а також кількість необхідного охолодження. Крім того, це впливає на фізичні розміри упаковки як блоку живлення, так і кінцевої кінцевої системи. Плюс це впливає на робочі температури компонентів системи та отриману надійність системи. Ці фактори сприяють визначенню загальної вартості системи, як апаратної, так і польової підтримки. Паспорти електроживлення зазвичай містять графік ефективності та вихідного струму, як показано в Малюнок 2-1. Цей графік показує, що ефективність залежить від прикладеної напруги джерела живлення, а також струму вихідного навантаження.

Ефективність, надійність та робоча температура взаємопов’язані. Паспорти енергопостачання зазвичай містять конкретні вимоги до повітряного потоку та радіатора. Наприклад, робоча температура навколишнього середовища впливає на вихідний струм навантаження, з яким джерело живлення може надійно обробляти. Криві зменшення для джерела живлення (Малюнок 2-2) вказують його надійний робочий струм у порівнянні з температурою. Малюнок 2-2 показує, скільки струму можна безпечно впоратись, якщо він працює з природною конвекцією, або 200 LFM і 400 LFM.

Захист постачання

Є кілька інших характеристик, які впливають на роботу джерела живлення. Серед них є ті, хто використовується для захисту постачання, які перелічені нижче.

Перевантаження: Режим відмови, спричинений струмом вихідного навантаження, який перевищує вказаний. Це обмежується максимальною струмовою здатністю джерела живлення і управляється внутрішніми ланцюгами захисту. У деяких випадках це також може пошкодити джерело живлення. Короткі замикання між вихідним джерелом живлення та землею можуть створювати струми в системі, які обмежуються лише максимальною здатністю струму та внутрішнім імпедансом джерела живлення. Без обмеження, цей сильний струм може спричинити перегрів та пошкодити джерело живлення, а також навантаження та його міжмережеві з'єднання (сліди плати, кабелі). Тому більшість джерел живлення повинні мати обмеження струму (захист від перевантаження по струму), яке спрацьовує, якщо вихідний струм перевищує заданий максимальний.

Перевищення температури: Потрібно запобігати температурі, яка перевищує вказане значення джерела живлення, або це може спричинити збій в електроживленні. Надмірна робоча температура може пошкодити блок живлення та підключені до нього схеми. Тому в багатьох джерелах живлення використовується датчик температури та відповідні схеми, щоб вимкнути подачу, якщо його робоча температура перевищує певне значення. Зокрема, напівпровідники, що використовуються в якості джерела живлення, вразливі до температур, що перевищують зазначені межі. Багато витратних матеріалів включають захист від перегріву, який відключає подачу, якщо температура перевищує вказану межу.

Перенапруга: Цей режим відмови виникає, якщо вихідна напруга перевищує вказане значення постійного струму, що може накласти надмірну напругу постійного струму, що пошкоджує ланцюги навантаження. Як правило, навантаження електронної системи можуть витримувати до 20% перенапруги, не завдаючи постійних пошкоджень. Якщо це питання, виберіть товар, який мінімізує цей ризик. Багато джерел живлення включають захист від перенапруги, який вимикає живлення, якщо вихідна напруга перевищує задану величину. Іншим підходом є діод стабілізатора лома, який проводить достатньо струму на порозі перенапруги, так що він активує обмеження струму джерела живлення і він відключається.

Плавний старт: Обмеження пускового струму може знадобитися під час першого подання живлення або коли гаряче підключаються нові плати. Як правило, це досягається ланцюгом плавного пуску, який уповільнює початковий підйом струму, а потім забезпечує нормальну роботу. Якщо його не лікувати, пусковий струм може генерувати високий піковий зарядний струм, який впливає на вихідну напругу. Якщо це важливе питання, виберіть прилад із цією функцією.

Блокування низької напруги: Відомий як UVLO, він включає живлення, коли він досягає досить високої вхідної напруги, і відключає живлення, якщо вхідна напруга падає нижче певного значення. Ця функція використовується для джерел живлення, що працюють від мережі, а також від батареї. При роботі від акумуляторної батареї UVLO відключає живлення (а також систему), якщо акумулятор розряджається настільки, що падає вхідна напруга живлення занадто низькою, щоб забезпечити надійну роботу.

Корекція коефіцієнта потужності (PFC): Застосовується лише до джерел живлення змінного струму. Зв'язок між напругою лінії змінного струму та струмом називається коефіцієнтом потужності. Для чисто резистивного навантаження на лінію електропередачі напруга та струм знаходяться у фазі, а коефіцієнт потужності становить 1,0. Однак, коли джерело змінного струму постійного струму розміщується на лінії електропередачі, різниця фаз напруги та струму збільшується, а коефіцієнт потужності зменшується, оскільки процес випрямлення та фільтрації вхідного струму змінює зв'язок між напругою та струмом на лінії електропередачі. Коли це відбувається, це знижує ефективність джерела живлення і створює гармоніки, які можуть спричинити проблеми для інших систем, підключених до тієї ж лінії електропередачі. Схеми корекції коефіцієнта потужності (PFC) модифікують залежність між напругою лінії електропередачі та струмом, роблячи їх ближчими до фази. Це покращує коефіцієнт потужності, зменшує гармоніку та покращує ефективність блоку живлення. Якщо гармоніки ліній електропередач важливі, виберіть джерело живлення з ПФУ з коефіцієнтом потужності 0,9 або вище.

Електромагнітна сумісність (ЕМС)

Виготовлені джерела живлення повинні використовувати конструктивні методи, що забезпечують електромагнітну сумісність (ЕМС) шляхом мінімізації електромагнітних перешкод (ЕМІ). У джерелах живлення в імпульсному режимі напруга постійного струму перетворюється на рубану або імпульсну форму сигналу. Це змушує джерело живлення генерувати вузькосмуговий шум (ЕМІ) на основній частоті комутації та пов'язаних з ними гармонік. Щоб стримувати шум, виробники повинні мінімізувати випромінювані або проводяться викиди.

Виробники джерел живлення мінімізують випромінювання ЕМІ, закривши джерело живлення в металевій коробці або обприскуючи корпус металевим матеріалом. Виробники також повинні звертати увагу на внутрішню компоновку живлення та проводку, яка входить і виходить з подачі, що може створювати шум.

Більшість перешкод, що проводяться на лінії електропередач, є результатом головного комутаційного транзистора або вихідних випрямлячів. Завдяки корекції коефіцієнта потужності та належній конструкції трансформатора, підключенню радіатора та конструкції фільтра, виробник джерела живлення може зменшити провідні перешкоди, щоб джерело живлення могло досягти дозволу регуляторного органу EMI, не несучи надмірних витрат на фільтр. Завжди перевіряйте, чи відповідає виробник джерела живлення вимогам нормативних стандартів EMI.

Нормативні стандарти

Відповідність національним або міжнародним стандартам зазвичай вимагають окремі країни. Різні країни можуть вимагати дотримання різних стандартів. Ці стандарти намагаються стандартизувати показники EMC продукту щодо EMI. Серед нормативних стандартів можна виділити:

• Характеристики електромагнітних порушень - Межі та методи вимірювання.
• Електромагнітна сумісність - Вимоги до побутових приладів
• Характеристики радіоперешкод - Межі та методи вимірювання для захисту приймачів, за винятком тих, що встановлені в самому транспортному засобі/човні/пристрої або в сусідніх транспортних засобах/човнах/пристроях.
• Специфікація приладів та методів вимірювання радіопорушень та імунітету

Перейти до наступної сторінки

Кілька характеристик впливають на роботу джерела живлення.

Дрейф: Зміни вихідної напруги постійного струму як функція часу при постійній напрузі в лінії, навантаженні та температурі навколишнього середовища.

Динамічна відповідь: Блок живлення може застосовуватися в системі, де існує потреба забезпечити швидку динамічну реакцію на зміну потужності навантаження. Це може бути для завантаження високошвидкісних мікропроцесорів з функціями управління живленням. У цьому випадку мікропроцесор може перебувати в режимі очікування, і за командою він повинен негайно ввімкнутись або вимкнутись, що накладає на джерело живлення високі динамічні струми з швидкими швидкостями. Для розміщення мікропроцесора вихідна напруга живлення повинна наростати або зменшуватися протягом певного інтервалу часу, але без надмірного перевищення.

Ефективність: Співвідношення вихідної та вхідної потужності (у відсотках), виміряне при даному струмі навантаження з номінальними умовами лінії (Pout/Pin).

Час витримки: Час, протягом якого вихідна напруга джерела живлення залишається в межах специфікації після втрати вхідної потужності.

Пусковий струм: Пік миттєвого вхідного струму, що надходить від джерела живлення при включенні.

Міжнародні стандарти: Вкажіть вимоги безпеки джерела живлення та допустимі рівні електромагнітних перешкод.

Ізоляція: Електричне розділення між входом і виходом джерела живлення, виміряне у вольтах. Неізольований має тракт постійного струму між входом і виходом джерела живлення, тоді як ізольований блок живлення використовує трансформатор для усунення тракту постійного струму між входом і виходом.

Регулювання лінії: Зміна значення вихідної напруги постійного струму в результаті зміни вхідної напруги змінного струму, що визначається як зміна ± mV або ±%.

Регулювання навантаження: Зміна величини вихідної напруги постійного струму в результаті зміни навантаження від розімкнутого ланцюга до максимального номінального вихідного струму, що визначається як зміна ± mV або ±%.

Вихідний шум: Це може відбуватися в блоці живлення у вигляді коротких спалахів високочастотної енергії. Шум спричинений зарядом та розрядом паразитних ємностей у джерелі живлення протягом його робочого циклу. Його амплітуда є змінною і може залежати від імпедансу навантаження, зовнішньої фільтрації та способу вимірювання.

Вирівнювання вихідної напруги: Більшість джерел живлення мають можливість «обрізати» вихідну напругу, діапазон регулювання якої не повинен бути великим, як правило, близько ± 10%. Одним із поширених способів є компенсація падіння напруги постійного струму в системі. Обрізка може бути як вгору, так і вниз від номінальної настройки за допомогою зовнішнього резистора або потенціометра.

Періодичне та випадкове відхилення (PARD)
Небажане періодичне (пульсація) або апериодичне (шумове) відхилення вихідної напруги джерела живлення від її номінального значення. PARD виражається в мВ пік-пік або середньоквадратичне значення при заданій смузі частот.

Пікова сила струму
Максимальний струм, який може забезпечувати джерело живлення протягом коротких періодів.

Пікова потужність
Абсолютна максимальна вихідна потужність, яку джерело живлення може виробляти без пошкоджень. Зазвичай він значно перевищує потужність надійної вихідної потужності, і його слід використовувати лише рідко.

Послідовність живлення: Послідовне ввімкнення та вимкнення джерел живлення може знадобитися в системах з декількома робочими напругами. Тобто напруги повинні подаватися в певній послідовності, інакше система може бути пошкоджена. Наприклад, після подання першої напруги, і вона досягає певного значення, друга напруга може бути збільшена тощо. Послідовність працює навпаки, коли живлення відключається, хоча швидкість, як правило, не така проблема, як включення.

Дистанційне ввімкнення/вимкнення: Це переважно перед перемикачами для ввімкнення та вимкнення джерел живлення. Технічні характеристики паспорта живлення зазвичай містять параметри постійного струму для дистанційного ввімкнення/вимкнення, перераховуючи необхідні рівні логіки ввімкнення та вимкнення.

Віддалене відчуття: Типовий блок живлення контролює свою вихідну напругу і подає її частину назад на джерело живлення для забезпечення регулювання напруги. Таким чином, якщо вихід має тенденцію підніматися або падати, зворотний зв'язок регулює вихідну напругу живлення. Однак, щоб підтримувати постійний вихід на навантаженні, блок живлення повинен фактично контролювати напругу на навантаженні. Але з'єднання від виходу джерела живлення до його навантаження мають опір, і струм, що протікає через них, створює падіння напруги, що створює різницю напруги між вихідною потужністю та фактичним навантаженням. Для оптимального регулювання напруга, що подається назад на джерело живлення, повинна бути фактичною напругою навантаження. Два підключення (плюс і мінус) дистанційного зонду контролюють фактичну напругу навантаження, частина, яка потім подається назад до джерела живлення з дуже незначним падінням напруги, оскільки струм через два підключення дистанційного зонду дуже низький. Як наслідок, напруга, що подається на навантаження, регулюється.

Пульсація: Випрямлення та фільтрація виходу імпульсного джерела живлення призводить до змінного компонента (пульсації), який працює на його вихідному струмі постійного струму. Частота пульсацій - це деяке інтегральне кратне частоті перемикання перетворювача, яке залежить від топології перетворювача. Пульсація відносно не впливає на струм навантаження, але може бути зменшена за допомогою зовнішньої фільтрації конденсатора.

Відстеження
При використанні декількох вихідних джерел живлення, при якому один або декілька виходів слідують за іншим із змінами в лінії, навантаженні та температурі, так що кожен підтримує однакову пропорційну вихідну напругу в межах заданого допуску відстеження щодо загального значення.

Клацніть тут для вдосконаленої версії цієї статті у форматі PDF.