Zdroje napájania so zlepšeným špičkovým výkonom CUI Inc.

21. apríla 2020, Aaron Yarnell - Čas čítania: 8 minút

Jedným zo všeobecných charakteristických parametrov elektronických napájacích zdrojov je maximálny výkon, ktorý môžu dodať do záťaže. Väčšina dizajnérov volí napájací zdroj tak, aby sa menovité zaťaženie pohybovalo v rozmedzí 60% až 80% maximálneho menovitého výkonu napájacieho zdroja. Môže sa to tiež považovať za maximálnu kapacitu napájacieho zdroja, ktorá je o 25% až 67% nad menovitým zaťažením. Pri uskutočňovaní tohto rozhodnutia o návrhu umožňuje inžinier systému pracovať za podmienok špičkového zaťaženia, ktoré sú v stanovenom rozsahu napájania zdroja napájania. Existujú však niektoré triedy záťaží napájacieho zdroja, ktoré sa nehodia pre tento operačný model:

Pravidelne vysoké zaťaženia, ktoré inak fungujú pri extrémne nízkych úrovniach výkonu.
Zaťaženia s vysokými požiadavkami na štartovací výkon, ktoré sa potom upravujú na nižšie úrovne prevádzkového výkonu.

Dizajnéri sa často pýtajú svojich dodávateľov: „Existujú zdroje napájania s vysokým špičkovým výkonom, ktoré zvládnu veľké prechodné zaťaženie?“ Zdroje napájania CUI s funkciou Power Boost túto požiadavku spĺňajú. Tieto produkty majú podobné parametre výstupného výkonu ako tradičné zdroje napájania, ale môžu navyše podporovať špičkovú úroveň výkonu, ktorá je dvakrát vyššia ako maximálna menovitá úroveň (po dobu až desiatich sekúnd a s maximálnym pracovným cyklom 10%). To umožňuje zákazníkom zvoliť si napájací zdroj na základe menovitej úrovne výkonu a nie špičkového výkonu.

Pri tejto voľbe môže projektant použiť napájací zdroj s nižším maximálnym hodnotením a potenciálne tak znížiť náklady na systém. V tomto blogovom príspevku sa budeme zaoberať zdrojmi konštantného napätia, a teda koncepciou, že výstupný prúd je možné používať zameniteľne s výstupným výkonom (výstupný prúd je úmerný výstupnému výkonu).

Obrázok 1: Krivkový diagram so špičkovým zaťažením pri 200% menovitého zaťaženia a činiteľom výkyvu 3,2 (200%/62%)

Obmedzenie prúdu v konvenčných konštrukciách napájacieho zdroja

Väčšina napájacích zdrojov je vybavená funkciou detekcie a ochrany nadprúdu. Interný detekčný obvod nadprúdu reaguje v priebehu milisekúnd, aby chránil napájací zdroj pred poškodením v prípade nadmerných zaťažovacích prúdov. Aj keď napájací zdroj nemusí vyhovovať prevádzkovým špecifikáciám v údajovom liste, ak je záťažový prúd väčší ako uvedený maximálny prevádzkový prúd, musí byť napájací zdroj navrhnutý tak, aby prevádzka počas udalosti nadprúdu nepoškodila napájací zdroj. Ak je limit nadprúdu blízky maximálnemu prevádzkovému prúdu, napájací zdroj nemôže pokračovať v činnosti s oveľa vyšším výstupným prúdom (a vnútorným rozptýlením výkonu) pred aktiváciou nadprúdovej ochrany. Prahová hodnota nadprúdovej ochrany sa spravidla nastavuje čo najbližšie k maximálnemu menovitému výstupnému prúdu (často 110% maximálneho výstupného prúdu), aby sa umožnilo nákladovo efektívne napájanie.

Koncept napájania pracujúci pri nominálnom výstupnom prúde okolo 62% maximálneho špecifikovaného prúdu záťaže a stanovenie prahu nadprúdovej ochrany na 110% maximálneho špecifikovaného prúdu záťaže je vhodný pre záťaže, kde je pomer špičkového zaťaženia k priemernému zaťaženiu (činiteľ výkyvu) okolo 1,8 alebo menej (110%/62%). Pre záťaže s činiteľom výkyvu väčším ako 1,8 (väčšie špičkové záťaže) môžu byť náklady na napájanie vo vzťahu k priemernému spotrebovanému výkonu neprijateľné, pretože napájanie je prevádzkované pri menovitom zaťažení, ktoré je výrazne pod maximálnym menovitým zaťažením. V systémoch so záťažami s činiteľmi výkyvu vyššími ako 1,8 je výhodné z dôvodu nákladov a veľkosti použiť napájací zdroj s vysokou toleranciou nadprúdu.

Príklady zaťažení s vysokým činiteľom výkyvu

Existuje veľa druhov záťaží napájacích zdrojov, ktoré na krátku dobu spotrebujú veľké množstvo energie a potom prejdú do režimu nižšej spotreby, takže činiteľ výkyvu môže byť 3: 1 alebo viac. Niektoré príklady produktov a aplikácií s takýmito vlastnosťami zahŕňajú:

Tepelná tlačiareň s vykurovacími prvkami, ktoré sú spočiatku potlačené, aby sa rýchlo dosiahla správna prevádzková teplota.
Elektrické motory pri štarte, keď je prúdový odber vysoký kvôli nedostatku spätného EMF.
Veľké filtračné kondenzátory, ktoré pri prvom nabití odoberajú vysoký prúd.
Testovacie moduly, ktorí môžu vykonávať pravidelný a krátkodobý test s vysokou spotrebou energie počas testovacej udalosti a majú nízku spotrebu energie medzi testovacími udalosťami.

Obrázok 2: Príklady aplikácií s vysokým činiteľom výkyvu

Komponenty napájacieho zdroja, ktoré sú rozhodujúce pre zabezpečenie špičkových napájacích zdrojov

Existuje niekoľko oblastí napájacieho zdroja, ktoré je potrebné vyriešiť, aby sa vytvoril lacný dizajn, ktorý podporuje záťaže s vysokými faktormi výkyvu napájania. U väčšiny zdrojov napájania AC/DC vstupný prúd preteká najskôr poistkou a EMI filtrom a potom mostíkovým usmerňovačom. Tam vstupný prúd nabíja záložný kondenzátor (obrázok 3). Záložný kondenzátor zaisťuje, že usmernené napätie napájajúce zvyšok napájania je udržiavané nad minimálnou úrovňou, aby obvody napájacieho zdroja mohli správne fungovať. Tento kondenzátor musí byť dostatočne veľký na to, aby podporoval maximálny špecifikovaný záťažový prúd pri minimálnom špecifikovanom vstupnom napätí. V prípade napájania CUI Power Boost sú pripojenia záložného kondenzátora sprístupnené používateľovi, aby bolo možné pridať ďalšiu záložnú kapacitu, ak je to pre aplikáciu potrebné.

Obrázok 3: Vstupný stupeň napájacieho zdroja so záložným kondenzátorom

Druhým komponentom v AC/DC napájacích zdrojoch so špecifickými požiadavkami na aplikáciu zosilnenia výkonu je izolačný transformátor alebo spojený induktor (obrázok 4). Tento magnetický prvok musí byť navrhnutý tak, aby nebol nasýtený počas dodávania prúdu špičkového zaťaženia. Ďalšou dôležitosťou je, že schopnosť odvádzania tepla tohto prvku musí byť dostatočne veľká na to, aby zvládla vysoké požiadavky na špičkové zaťaženie.

Obrázok 4: Izolačný transformátor alebo spojený induktor

Spínač na primárnej strane je tretím prvkom napájacieho zdroja, ktorý musí byť vybraný s určitými charakteristikami, aby správne fungoval počas prúdov veľkého špičkového zaťaženia (obrázok 5). V prípade prepínača je hlavným problémom rozptýlenie výkonu počas trvalého prúdu špičkového zaťaženia. Jedným z možných riešení riešenia tohto problému je pridať tepelnú hmotu do spínacej súpravy tak, aby absorbovala nadmerné teplo generované počas obdobia špičkového zaťaženia. Tepelná hmota môže byť realizovaná buď ako vnútorná vlastnosť krytu alebo ako externý chladič pripevnený k krytu spínača.

Obrázok 5: Spínač na primárnej strane

Záver

Zatiaľ čo väčšina záťaží elektronického napájania má špičkové výkonové požiadavky, ktoré sú relatívne blízke menovitým úrovniam výkonu, existuje veľa aplikácií, ktoré vyžadujú špičkovú výkonovú hladinu, ktorá je podstatne vyššia ako menovitá úroveň výkonu. Pre aplikácie s veľkým krátkodobým špičkovým zaťažením a nízkym pracovným cyklom sú modely Power Boost od spoločnosti CUI skvelým riešením. Táto trieda napájacích zdrojov poskytuje špičkový výkon, ktorý potrebujete, v menšom, ľahšom a lacnejšom riešení ako tradičné napájacie zdroje.