6 noiembrie 2018 de Ron Stull - 7 minute de citire

care

Bine ați venit la partea a 2-a a seriei noastre „Pushing the Limits”, unde aprofundăm o întrebare pe care o auzim des la CUI, „Ce se întâmplă dacă îmi operez sursa de alimentare în afara unui anumit interval de specificații?” În partea 1 am acoperit specificațiile tensiunii de intrare. Acum, în partea 2 vom analiza curentul de ieșire și problemele care pot apărea la depășirea specificației curentului de ieșire.

Limite de curent de ieșire

Curentul nominal de ieșire este una dintre cele mai importante specificații la selectarea unei surse de alimentare. Acesta joacă un rol important în determinarea dimensiunii și costului unității, ceea ce îi determină pe proiectanți să aleagă surse de alimentare care au doar curent suficient pentru a-și îndeplini cerințele. În aceste cazuri, este tentant pentru un proiectant să selecteze o sursă de alimentare care să se adreseze curentului de funcționare „normal” pentru a economisi costuri și dimensiuni, presupunând în același timp că poate gestiona curenții de vârf pentru o perioadă scurtă de timp. Aceeași linie de gândire merge și pentru limita minimă de curent. Cu toate acestea, depășirea specificațiilor curente maxime sau minime poate duce la mai multe probleme, inclusiv degradarea performanței, oprirea protejată sau chiar eșecul componentelor.

Depășirea limitelor curente de ieșire - Probleme de performanță

Eficiența, reglarea și emisiile electromagnetice (EMI) sunt unele dintre cele mai importante specificații afectate atunci când funcționează o sursă de alimentare în afara curentului său nominal de ieșire.

Pe măsură ce curentul de ieșire crește, crește și puterea de ieșire. Dacă eficiența ar fi fixată pe sarcină, curentul suplimentar ar duce la o creștere liniară a disipării puterii în cadrul sursei. Această pierdere de putere adăugată determină o creștere a creșterii temperaturii componentelor, ceea ce poate duce la defecțiuni termice. În practică, este puțin probabil ca eficiența să rămână constantă și, așa cum se arată în graficul de mai jos, este obișnuit ca o sursă de alimentare să atingă eficiența maximă înainte de sarcina maximă, rezultând o eficiență care scade după curentul nominal. Acest lucru duce la o creștere exponențială a disipării puterii în ceea ce privește creșterea sarcinii, determinând scăderea temperaturii maxime mult mai rapid decât dacă eficiența ar fi constantă. În plus față de problemele termice, eficiența scăderii ar putea provoca alimentarea cu energie electrică și/sau sistemul să nu reușească reglementările privind eficiența. După cum arată graficul în continuare, atunci când funcționează sursa de alimentare cu 20% peste sarcina nominală de 200 W, eficiența scade cu un punct procentual complet sub specificația sa de 91%. Aceasta are ca rezultat o creștere cu 30% a disipării puterii.

Eficiența și disiparea puterii sursei de alimentare de 200 W c.a.

Reglarea sarcinii este o altă specificație problematică atunci când funcționează în afara curentului nominal de ieșire. Regulamentul de încărcare îi indică utilizatorului cantitatea maximă pe care se poate aștepta ca tensiunea de ieșire să o schimbe pe măsură ce sarcina se schimbă între lipsă de sarcină și sarcină completă. Graficul de mai jos prezintă un exemplu de reglare a sarcinii unei surse de alimentare de 200 W c.a. Această sursă de alimentare specială are o tensiune de ieșire care scade odată cu creșterea curentului. Cu toate acestea, acest lucru nu este întotdeauna cazul, deoarece unele surse de alimentare vor vedea creșterea tensiunii de ieșire cu sarcina. Oricum, operarea în afara intervalului de curent specificat poate face ca tensiunea de ieșire să se deplaseze în afara specificațiilor sale de reglare a sarcinii, ducând la probleme în aplicații care nu pot accepta tensiuni în afara acestui interval.

Aplicațiile cu domenii de intrare strânse profită adesea de conexiunile de detectare a tensiunii externe, care vor regla tensiunea de ieșire la sarcină, mai degrabă decât la ieșirea sursei de alimentare. Cu detectarea externă, o scădere a tensiunii de ieșire care ar apărea în mod normal între sursa de alimentare și sarcină este compensată prin creșterea tensiunii de ieșire a sursei. Ca urmare, există adesea o specificație pentru tensiunea maximă care poate fi compensată pentru a preveni deteriorarea sursei de alimentare din cauza unei tensiuni crescute.

Reglarea tensiunii de ieșire a sursei de alimentare de 200 W c.a.

La sursele de alimentare cu curent minim nominal, funcționarea sub această limită poate provoca, de asemenea, unitatea să funcționeze în afara specificațiilor sale de reglementare. Aceste surse de alimentare sunt adesea unități mici, mai puțin costisitoare, cu scheme de control simple, care nu sunt concepute pentru a rezolva problemele care apar la sarcini ușoare. Un curent minim poate fi, de asemenea, specificat în mai multe surse de alimentare de ieșire, care este necesar pentru a regla ieșirile secundare în limitele lor specificate.

O ultimă problemă, mai puțin evidentă, legată de curentul de ieșire este EMI crescut. Sursele de comutare sunt dispozitive zgomotoase din punct de vedere electric și o mulțime de spațiu pentru placă este dedicat componentelor filtrante pentru a le ajuta să îndeplinească cerințele de reglementare; de obicei, suficient cât să treacă testarea necesară. Chiar și atunci când funcționează în intervalul de sarcină specificat, apar probleme atunci când sunt utilizate cu anumite sarcini. În general, magnitudinea EMI este de așteptat să crească odată cu încărcarea și funcționarea peste sarcina maximă poate împinge EMI peste pragul de defecțiune. Acest lucru este agravat în continuare dacă filtrul devine mai puțin eficient la sarcini mai mari. Creșterea curenților și/sau temperaturilor din aceste componente poate, de asemenea, să le modifice valorile și să schimbe răspunsul filtrului.

Depășirea limitelor curentului de ieșire - Oprire protejată

Problemele legate de specificații descrise mai sus presupun că sursa de alimentare va permite utilizatorului să funcționeze peste curentul maxim de ieșire. Cu toate acestea, majoritatea surselor de alimentare sunt echipate cu o formă de protecție la supracurent care împiedică încărcarea să depășească un anumit prag de curent.

Unele surse de alimentare au un prag bine definit mai aproape de ieșirea nominală, dincolo de care începe protecția la supracurent. Utilizatorii care încearcă să-și dimensioneze sursa de alimentare pentru curentul nominal și să lase nevoile de curent de vârf să depășească ratingul curent pot vedea, de asemenea, ieșirea oprită datorită acestei protecții.

Alte scheme de protecție au toleranțe mai largi care permit sarcinii să depășească semnificativ puterea nominală maximă. Diferențele de prag între consumabile individuale pot cauza probleme dacă protecția este activată în unele consumabile, dar nu și în altele. Dacă ieșirea nu se oprește, alimentarea va funcționa peste curentul său maxim, rezultând probleme legate de specificații sau defecțiuni.

În plus, sursele de alimentare mai complexe oferă protecție împotriva curentului care scade sub valoarea minimă, în timp ce altele vor dezactiva complet funcționarea în aceste condiții. Sursele de alimentare care nu se pot regla în mod fiabil la sarcini ușoare vor duce la o tensiune excesivă la ieșire, care ar putea declanșa și o protecție.

Depășirea limitelor curentului de ieșire - eșecul componentei

În timp ce problemele anterioare nu vor provoca întotdeauna o defecțiune sau deteriorarea componentelor sursei de alimentare, multe componente vor experimenta tensiune suplimentară și/sau tensiune de curent ca urmare a creșterii curentului de sarcină, punându-le într-un risc mai mare.

Odată cu creșterea curentului de ieșire, creșterile similare ale curenților componentelor de-a lungul trenului de alimentare. Componente precum MOSFET-uri, diode, rezistențe și chiar urme de cupru vor vedea o disipare a puterii și căldură crescute din cauza curentului crescut. Diodele și alte componente cu o tensiune fixă ​​vor observa o creștere liniară a disipării puterii, în timp ce MOSFET-urile și componentele cu elemente rezistive vor prezenta o creștere exponențială a disipării puterii în ceea ce privește creșterea sarcinii. În ambele cazuri, acest lucru va duce la creșterea temperaturii, reducerea fiabilității și riscul de eșec.

Componentele magnetice, cum ar fi bobinele și transformatoarele, în timp ce suferă pierderi crescute de conducere, precum componentele anterioare, pot întâmpina pierderi crescute ale miezului și pot fi împinse în saturație, producând pierderi suplimentare și generarea de căldură. Magneticii saturați pot provoca, de asemenea, încetarea funcționării sursei de alimentare sau generarea de curenți crescuți în alte componente, cum ar fi MOSFET-urile și diodele. De exemplu, într-un convertor buck, curentul de ondulare este direct legat de inductanță. Când inductanța începe să scadă curenții de vârf în MOSFET și, ca urmare, dioda va crește.

În plus față de componentele magnetice discrete, există și inductanțe parazite, cum ar fi inductanța de scurgere a transformatorului. Aceste componente parazite provoacă vârfuri de tensiune atunci când comutatorul schimbă starea și magnitudinea acestui vârf crește odată cu încărcarea. În cazul scurgerii transformatorului, vârful de tensiune este aplicat pe MOSFET și poate cauza defectarea acestuia dacă este prea mare. Alte componente, cum ar fi cele care detectează tensiunile și curenții, vor simți aceste vârfuri de tensiune, ceea ce va duce la controlerul care primește informații incorecte despre tensiune și curent - ducând la performanțe slabe sau la defecțiuni.

Concluzie

Puterea, dimensiunea și costul sunt factori importanți atunci când alegeți o sursă de alimentare. Din păcate, îmbunătățirea uneia afectează adesea invers celelalte, cu mai multă putere, ceea ce înseamnă de obicei o sursă de alimentare mai mare și/sau mai scumpă. Chiar și așa, utilizatorii vor încerca adesea să forțeze toți cei trei factori care se deschid către potențiale probleme. Curentul de ieșire este o astfel de zonă care afectează aproape fiecare componentă din sursa de alimentare. Unele efecte sunt evidente, în timp ce altele sunt ușor trecute cu vederea și provoacă probleme imediate sau pe termen lung. Înainte de a opera în afara curentului nominal de ieșire al unei surse de alimentare, utilizatorul ar trebui să se consulte cu producătorul sursei de alimentare pentru a înțelege riscurile sau pentru a căuta o soluție alternativă.