Zdroje ACDC nepredimenzujú všetku elektroniku
Okrem správnej veľkosti a špecifikácie napájacieho zdroja AC/DC je tiež dôležité neprepínať ho. Príliš veľa dobrej veci má okrem vyšších nákladov aj negatívne účinky na účinnosť, chladenie, veľkosť celého systému a prípadne aj na samotného poskytovateľa.
Obrázok 1: Účinnosť napájacieho zdroja sa mení so záťažou. Najvyššia hodnota sa dosiahne pri 80 až 95% maximálneho menovitého zaťaženia. Graf zobrazuje napájací zdroj N2Power XL280-48. N2Power
Prvým a najväčším faktorom, ktorý treba brať do úvahy pri navrhovaní napájacieho zdroja, je zladiť výstupný výkon so záťažou (obrázok 1). Ak je napríklad maximálna záťaž (jednosmerné napätie krát prúd) 500 W, ponúka napájací zdroj s príkonom 1 000 W podstatne väčší priestor na vývoj, ako je skutočne potrebné.
Aké sú dôsledky použitia napájacieho zdroja s takou rezervou? Výhodou je, že pre požadované hodnoty menovitého napätia je k dispozícii veľa zosilňovačov. Ale to je asi tak všetko. Existuje toľko ďalších nevýhod, keď je toľko nevyužitej energie.
Neefektívne pracovné priestory
Najväčšia nevýhoda súvisí s neefektívnosťou a jej dôsledkami. Každá jednotka napájania má svoj vlastný graf účinnosti a zaťaženia (obrázok 1). Pri dobre navrhnutom spínacom zdroji je táto účinnosť najväčšia v rozsahu 80 až 95% maximálneho menovitého zaťaženia. Aj keď sa toto všeobecné usmernenie nevzťahuje na lineárne regulátory a napájacie zdroje, pretože tieto poskytujú iba nízky výkon niekoľko wattov, hodí sa celkom dobre k väčšine napájacích zdrojov so striedavým alebo jednosmerným prúdom.
Na prvý pohľad
Bremeno s bremenom
Koľko napájania potrebuje dizajn? Na túto otázku nie je také ľahké odpovedať, pretože je tiež dôležité tlmiť špičkové zaťaženie. Každý, kto ako vývojár jednoducho naplno siahne a predimenzuje napájanie, má veľa negatívnych vedľajších účinkov. Aj s ďalšími funkciami je dôležité kupovať iba to, čo je skutočne užitočné.
Pri prevádzke pri malom zaťažení môže napájací zdroj generovať množstvo dodatočného tepla. To je presne miesto, kde začínajú problémy pre vývojára, ktoré môžu mať zjavné a neúmyselné následky. Zjavný efekt je, že zariadenie zbytočne stráca viac energie zo siete. Prevádzka zdroja je tak nákladnejšia: tieto náklady sa dajú ľahko určiť. Nákup väčšieho napájacieho zdroja je tiež nákladnejší.
Preč s teplom
Okrem tohto ľahko určiteľného faktora existujú aj ďalšie nevýhody, ktoré sa určujú ťažšie. Extra teplo, ktoré je potrebné odvádzať, vedie k zložitejším návrhom a problémom s rozpočtom, ktoré je potrebné vyriešiť konvekčným chladením (ktoré už nemusí byť možné), ventilátormi, usporiadaním prúdenia vzduchu a chladičmi. Týmto alternatívam vznikajú priame náklady a zvyšujú sa materiály, nespoľahlivosť a obmedzenia týkajúce sa balenia a usporiadania. Dokonca je obmedzená flexibilita integrovať viac funkcií do krytu alebo sa kryt zväčšuje. Vyššia jednotka napájania má tiež väčšiu stopu.
Pri výbere väčšieho napájacieho zdroja je tiež menej výrobcov a poskytovateľov druhého zdroja. To nemusí vývojárov znepokojovať, ale môže to spôsobiť problémy nákupnému oddeleniu alebo EMS.
Zmena mierky potom
Z tohto dôvodu väčšina výrobcov napájacích zdrojov na striedavý a jednosmerný prúd ponúka rôzne podobné jednotky, ktoré sa líšia iba výstupným výkonom. To umožňuje prispôsobiť veľkosť napájacej jednotky zaťaženiu bez vytvárania nadmerných kapacít. AC/DC napájacie zdroje série XL od N2Power sú k dispozícii v úzko dimenzovaných nominálnych výkonoch 125, 160, 275 a 375 W.
Obrázok 2: AC/DC napájací zdroj XL125 (125 W) (vľavo) a XL160 (160 W) od N2Power sa líšia hlavne menovitým výkonom. Rozmery, veľkosť, pripojenie a ďalšie technické údaje sú rovnaké. N2Power
Napájacie zdroje s tak pevne dimenzovanými hodnotami sa líšia iba z hľadiska ich menovitého výkonu, ale majú rovnaké rozmery a zapojenie. To umožňuje ľahkú výmenu, demontáž alebo modernizáciu, akonáhle sa zmenia požiadavky na zaťaženie. Obrázok 2 zobrazuje modely N2Power XL125 a XL160, ktoré majú pri rozmeroch 3 x 5 palcov (7,5 x 12,5 cm 2) rovnaké rozmery.
Rozmer správne
Navrhnúť dizajn pre menšiu celkovú spotrebu energie a potom ho prispôsobiť maximálnemu zaťaženiu nie je v skutočnosti životaschopnou možnosťou. Problémom je veľký pomer medzi maximálnym/špičkovým zaťažením a typickým zaťažením. Zvyčajne je tu bežný pomer 2: 1 alebo dokonca 3: 1. Napájací zdroj musí byť navrhnutý pre špičkové zaťaženie, ale väčšinou bude v prevádzke pre požiadavky pod touto hodnotou, a teda presne v neefektívnom rozsahu.
Existujú spôsoby, ako to obísť. Napríklad prídavný zosilňovač, super kondenzátor alebo iná technológia môže pokryť špičkové zaťaženie. Každé z týchto riešení však so sebou prináša nové problémy s dizajnom, pretože je potrebné ich do záťaže pridať a upraviť ich tak, aby boli prechodné. Aby sa zabránilo nadmernej veľkosti, malo by sa maximálne zaťaženie systému čo najviac znížiť na typickú hodnotu zaťaženia.
Nad rámec efektívnosti
Medzi ďalšie faktory, ktoré je potrebné vziať do úvahy, patrí teplotný rozsah, rozsah prevádzkového napätia, riadenie linky/záťaže, rôzne stupne ochrany, redundancia a I/O.
Pokiaľ ide o prevádzkové prostredie a chladenie, vyvstáva otázka, aká prevádzková teplota je požadovaná pre napájaciu jednotku. Napájací zdroj, ktorý je navrhnutý pre vyššie teploty, stojí viac - ale umožňuje aj menšie chladenie. Musí sa brať do úvahy aj prevádzka pri nízkych teplotách, napríklad ak je aplikácia zapnutá pri mínusových teplotách.
Ďalším aspektom je nominálne napätie v sieti AC: Je potrebný zdroj napájania pre 115 alebo 230 VAC alebo napájací zdroj so širokým rozsahom vstupného napätia, ktorý pokrýva obe hodnoty? Aj tu musíte zvážiť: jednotka napájania pre obe hodnoty striedavého prúdu je vo všeobecnosti o niečo nákladnejšia, ale dodatočné náklady sa môžu vyplatiť, pretože je možné dokúpiť viac jednotiek napájania tohto typu, čo znižuje náklady na nákup a podporu.
Otázka tolerancie
Trochu sa to komplikuje toleranciou, ktorá sa vyžaduje okolo menovitého napätia systému. Musí byť napájací zdroj navrhnutý pre stredné odchýlky ± 5%, stredné odchýlky ± 10% alebo dokonca pre rozsah ± 20%? Napájacie zdroje, ktoré sú prevádzkované na silne sa meniacich sieťach striedavého prúdu (v rámci špecifikácie), sú nákladnejšie a dostupné iba od niekoľkých poskytovateľov. Ak sa majú tolerovať veľké výkyvy, je nákladovo efektívnejšie nainštalovať samostatný predregulátor, ktorý udrží sieťový kábel v užšej oblasti, a potom použiť lacný zdroj napájania.
Akú úroveň absolútnej presnosti, stability a regulácie systém vyžaduje? Väčšina zdrojov napájania je z výroby nastavená na menovitú výstupnú hodnotu, čo znamená, že jednotka spĺňa zadanú hodnotu pomerne presne. Stabilita a regulácia sa však u jednotlivých poskytovateľov líšia a prísnejšie špecifikácie zvyšujú náklady. Tieto dodatočné špecifikácie môžu byť dokonca nadbytočné.
Dôvodom je to, že veľa napájacích líšt AC-DC teraz pozostáva z niekoľkých stupňov, pričom prevodník AC/DC prvého stupňa napája namiesto prevodníka IBC (prevodník strednej zbernice) alebo POL (bod zaťaženia) prevodník. konečná koľajnica. Tieto konvertory DC/DC poskytujú skutočné napätie pre systém a môžu tolerovať malé zmeny od napájania AC/DC k ich vstupom DC.
Všestranná ochrana
Takmer všetci poskytovatelia ponúkajú funkcie, ako je ochrana proti prepätiu a skratom. Niektoré ponúkajú dodatočnú ochranu pred vysokými prechodmi siete, vrátane napäťových špičiek vyvolaných bleskom. Ak sa takéto udalosti neočakávajú alebo ak je napájanie chránené externými samostatnými komponentmi, je možné namiesto jednotky, ktorá poskytuje väčšiu ochranu, použiť jednotku, ktorá spĺňa základné prechodné špecifikácie.
Niektorí výrobcovia ponúkajú možnosť N + 1, čo znamená, že v prípade výpadku napájania je možné použiť napájacie zdroje s automatickým prepínaním. Ak táto úroveň spoľahlivosti nie je požadovaná alebo ak je uprednostňovaný iba jeden zdroj striedavého/jednosmerného prúdu, je potrebné sa tejto funkcii vyhnúť.
Vo väčších systémoch je trend, že jednotka napájania komunikuje svoje vlastné prevádzkové stavy (najmä vnútornú teplotu) s monitorom systému. Potom je možné prevádzkové parametre zmeniť aj pomocou systémového ovládača. Pre aplikácie, ktoré nevyžadujú tento typ interakcie napájanie/systém, sa nevyžaduje vstupno-výstupný port (I 2 C, PMBus, SPI) a súvisiace obvody v napájacej jednotke.
Len to nepreháňajte
Či už je napájací zdroj predimenzovaný z dôvodu nepochopenia systémových požiadaviek alebo parametrov napájania, alebo či chcete byť iba na bezpečnej strane - nie je pre to dôvod. Rovnako ako pri všetkých vývojových rozhodnutiach by ste mali presne určiť, čo je potrebné, a nič viac. Len čo budú známe priority projektu, oblasť jeho použitia a všetky aspekty, bude výsledkom správny návrh.