Блоки живлення з покращеною піковою ефективністю CUI Inc.

21 квітня 2020 року Аарон Ярнелл - Час читання: 8 хвилин

Одним із загальних параметрів характеристики електронних джерел живлення є максимальна потужність, яку вони можуть подавати на навантаження. Більшість дизайнерів вибирають блок живлення таким чином, щоб номінальне навантаження знаходилося в межах від 60% до 80% від максимальної номінальної потужності джерела живлення. Це також можна розглядати як максимальну потужність джерела живлення, яка на 25-67% перевищує номінальне навантаження. Приймаючи це проектне рішення, інженер дозволяє системі працювати в умовах пікових навантажень, що знаходяться в межах заданого діапазону потужності джерела живлення. Однак існують деякі класи навантажень джерела живлення, які не відповідають цій робочій моделі:

Періодично високі навантаження, які в іншому випадку працюють на надзвичайно низьких рівнях потужності.
Навантаження з високою вимогою до пускової потужності, яка потім регулюється до нижчих рівнів робочої потужності.

Дизайнери часто запитують своїх постачальників: “Чи доступні джерела живлення з високою піковою потужністю, які здатні витримувати великі перехідні навантаження?” Джерела живлення CUI з Power Boost відповідають цій вимозі. Ці вироби мають схожі технічні характеристики вихідної потужності з традиційними джерелами живлення, але додатково можуть підтримувати піковий рівень потужності, що вдвічі перевищує максимальний номінальний рівень (тривалістю до десяти секунд і з максимальним робочим циклом 10%). Це дозволяє споживачам вибирати джерело живлення на основі номінального рівня потужності, а не пікового споживання енергії.

З таким вибором дизайнер може використовувати блок живлення з нижчим максимальним рейтингом і потенційно знизити вартість системи. У цьому дописі в блозі ми обговорюємо джерела постійної напруги і, отже, концепцію того, що вихідний струм може використовуватися як взаємозамінний із вихідною потужністю (вихідний струм пропорційний вихідній потужності).

Рис. 1: Діаграма кривої з піковим навантаженням при 200% від номінального навантаження та коефіцієнтом гребеня 3,2 (200%/62%)

Обмеження струму в звичайних конструкціях джерел живлення

Більшість джерел живлення оснащені функцією виявлення та захисту від надмірного струму. Внутрішня схема виявлення перевантаження по струму реагує протягом мілісекунд, щоб захистити блок живлення від пошкодження у разі надмірних струмів навантаження. Незважаючи на те, що блок живлення може не відповідати експлуатаційним специфікаціям на технічному паспорті, якщо струм навантаження перевищує вказаний максимальний робочий струм, блок живлення все-таки повинен бути спроектований таким чином, щоб робота під час надтокової події не пошкодила джерело живлення. Якщо межа максимального струму близький до максимального робочого струму, блок живлення не може продовжувати працювати з набагато більшим вихідним струмом (і внутрішньою дисипацією потужності) до того, як буде активовано захист від перевантаження по струму. Як правило, поріг захисту від перевантаження по струму встановлюється якомога ближче до максимального номінального вихідного струму (часто 110% від максимального вихідного струму), щоб забезпечити економічне живлення.

Концепція джерела живлення для роботи з номінальним вихідним струмом близько 62% від максимального заданого струму навантаження та встановлення порогу захисту від перевантаження струму до 110% від максимального заданого струму навантаження добре підходить для навантажень, де відношення пікового навантаження до середнього навантаження (коефіцієнт гребеня) становить близько 1,8 менше (110%/62%). Для навантажень з коефіцієнтом гребеня більше 1,8 (більші пікові навантаження) вартість джерела живлення щодо середньої споживаної потужності може бути неприйнятною, оскільки джерело живлення працює при номінальному навантаженні, яке значно нижче максимального номінального навантаження. У системах з навантаженнями з коефіцієнтами гребеня більше 1,8, з міркувань вартості та габаритів вигідно використовувати блок живлення з високим током допуску.

Приклади навантажень з високим коефіцієнтом гребеня

Існує багато типів навантажень на джерело живлення, які споживають велику кількість енергії протягом короткого періоду часу, а потім переходять у режим меншої потужності, такий що коефіцієнт гребеня може становити 3: 1 або більше. Деякі приклади продуктів та програм із такими властивостями включають:

Термопринтер з нагрівальними елементами, які спочатку перевизначені для швидкого досягнення правильної робочої температури.
Електродвигуни при запуску, коли споживання струму велике через відсутність зворотного ЕРС.
Великі фільтрувальні конденсатори, які тягнуть сильний струм при першій зарядці.
Тестові модулі, які можуть проводити періодичні та короткочасні випробування з високим споживанням енергії під час випробувального заходу та низьким споживанням енергії між випробувальними подіями.

Рис. 2: Приклади застосувань із високим коефіцієнтом гребеня

Компоненти живлення, які мають вирішальне значення для забезпечення джерел живлення з високим гребінком

Існує декілька областей енергопостачання, на які потрібно звернути увагу, щоб створити недорогу конструкцію, яка підтримує навантаження з високими коефіцієнтами гребеня потужності. Для більшості джерел живлення змінного/постійного струму вхідний струм проходить спочатку через запобіжник та EMI-фільтр, а потім через мостовий випрямляч. Там вхідний струм заряджає резервний конденсатор (рис. 3). Резервний конденсатор гарантує, що випрямлена напруга, що подає решту джерела живлення, підтримується вище мінімального рівня, щоб ланцюги живлення могли нормально функціонувати. Цей конденсатор повинен бути достатньо великим, щоб підтримувати максимальний заданий струм навантаження при мінімально заданій вхідній напрузі. У разі джерела живлення CUI Power Boost підключення резервного конденсатора стають доступними для користувача, так що можна додавати додаткову резервну ємність, якщо це потрібно для програми.

3: Вхідний каскад джерела живлення з резервним конденсатором

Другим компонентом джерел живлення змінного/постійного струму з конкретними вимогами до програми підвищення потужності є ізолюючий трансформатор або з'єднаний індуктор (рис. 4). Цей магнітний елемент повинен бути спроектований таким чином, щоб він не насичувався під час подачі пікового струму навантаження. Додатковим значенням є те, що тепловіддача цього елемента повинна бути достатньо великою, щоб задовольнити високі вимоги до пікового навантаження.

Рис. 4: Трансформатор ізоляції або з'єднаний індуктор

Первинний бічний вимикач - це третій елемент підсилювача живлення, який повинен бути обраний з певними характеристиками, щоб нормально функціонувати під час великих пікових струмів навантаження (Рисунок 5). У випадку з перемикачем головним питанням є розсіювання потужності під час витриманого пікового струму навантаження. Одним із можливих рішень для вирішення цієї проблеми є додавання теплової маси до блоку вимикачів для поглинання надмірного тепла, що утворюється під час періоду пікового навантаження. Теплова маса може бути реалізована або як невід’ємна характеристика корпусу, або як зовнішній радіатор, прикріплений до корпусу вимикача.

Рис. 5: Первинний бічний вимикач

Висновок

Хоча більшість навантажень електронного джерела живлення мають пікові вимоги до потужності, які відносно близькі до номінальних рівнів потужності, існує багато додатків, які вимагають пікового рівня потужності, який значно перевищує номінальний рівень потужності. Для додатків, що мають великі короткочасні пікові навантаження та низькі робочі цикли, моделі Power Boost від CUI є чудовим рішенням. Цей клас джерел живлення забезпечує максимальну потужність, яка вам потрібна, у меншому, легшому та дешевшому рішенні, ніж традиційні джерела живлення.