25 septembrie 2018 de Ron Stull - 7 minute de citire

probleme

Bine ați venit la prima tranșă a noii noastre serii intitulată „Împingerea limitelor”. Această serie va aprofunda 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?” Pentru a ajuta la răspunsul la această întrebare, vom revizui specificațiile comune ale sursei de alimentare și vom evidenția potențialele dezavantaje și defecțiuni care ar putea apărea atunci când se operează o sursă de alimentare în afara limitelor specificate. În partea 1 a acestei serii, vom discuta despre problemele potențiale care pot apărea atunci când tensiunea de intrare depășește domeniul admisibil al unei surse de alimentare.

Limite de tensiune de intrare

În întreaga lume, tensiunea de rețea disponibilă și stabilitatea acesteia asociate pot varia foarte mult, ceea ce face dificilă proiectarea unei surse de alimentare care să răspundă nevoilor domeniului de intrare pentru toate aplicațiile. Presupunând că specificațiile de intrare ale unei surse de alimentare sunt „suficient de apropiate” de tensiunea de funcționare dorită a unei aplicații poate duce la defecțiuni dacă sursa de alimentare este de fapt operată în afara limitelor sale. Aceste defecțiuni pot fi definite ca defecțiuni ale componentelor, defecțiuni ale sistemului sau defecțiuni ale specificațiilor și fiecare va avea impact diferit asupra sursei de alimentare și asupra performanței sistemului.

Depășirea limitelor de tensiune de intrare - Defecțiuni ale componentelor

Defecțiunile componentelor apar atunci când o componentă este deteriorată și/sau nu mai funcționează conform intenției. Aplicarea unei tensiuni care depășește tensiunea maximă de funcționare a unei componente este o modalitate simplă de a deteriora orice componentă. Multe componente care sunt plasate pe intrare, cum ar fi condensatoarele X, varistoarele de oxid metalic (MOV) și redresoarele de punte, sunt ușor de identificat ca fiind supuse tensiunii de tensiune. Dacă tensiunea de intrare depășește tensiunea lor maximă de funcționare, modul de defecțiune specific al acestor componente poate duce la câteva scenarii diferite. De exemplu, condensatoarele X, care sunt proiectate să funcționeze scurt din motive de siguranță, probabil vor deschide siguranța lăsând sursa de alimentare inoperabilă. Cu toate acestea, în cazul în care condensatoarele Y, care sunt proiectate să nu funcționeze deschis, ar eșua scurt, sursa de alimentare ar putea continua să funcționeze, lăsând utilizatorii în pericol de șoc.

Intrare tipică ac-dc

Alte componente, cum ar fi siguranța, sunt mai dificil de identificat ca susceptibile la defecțiuni în cazul unei supratensiuni. În condiții normale, siguranța va apărea ca un scurt și o creștere a tensiunii va forța pur și simplu siguranța să transporte mai puțin curent. Dacă apare o defecțiune, cum ar fi scurtcircuitul X-condensator, în interiorul sursei de alimentare, siguranța se va deschide și va deconecta circuitul de la sursa de intrare. Cu toate acestea, dacă se depășește tensiunea maximă a siguranței și scurtcircuitul X-condensator, siguranța nu va putea suprima arcul. Acest lucru nu va reuși să mențină circuitul deschis, conducând la un flux continuu de curent prin condensatorul defect, provocând probleme atât în ​​amonte, cât și în aval.

În alte cazuri, tensiunea de tensiune este legată de componentele parazite ale căror valori sunt greu de determinat. Comutatorul dintr-un convertor flyback, de exemplu, are o tensiune de vârf determinată nu numai de tensiunea de intrare, ci și de inductanța de scurgere și de raportul de viraje. În astfel de cazuri, tensiunea de tensiune nu poate fi întotdeauna determinată prin simpla examinare a schemei sau a fișelor tehnice, ci trebuie măsurată direct.

Stânga: schemă tipică flyback cu componente discrete Dreapta: schemă flyback cu componente parazitare adăugate în roșu Contribuții la tensiunea comutatorului Flyback

Evenimentele sub tensiune au, de asemenea, potențialul de a provoca defecțiuni ale componentelor. Când operați o sursă de alimentare sub tensiunea minimă de funcționare, curentul din multe componente va crește proporțional. Siguranța, redresorul, întrerupătoarele și alte componente care transportă acest curent crescut vor disipa mai multă putere, ducând la o temperatură crescută și șanse de avarie. Componentele magnetice, cum ar fi un sufocator de corecție a factorului de putere (PFC), vor transporta, de asemenea, mai mult curent și, prin urmare, vor vedea că inductanța lor scade sau se satură complet. În funcție de topologia specifică, acest lucru ar putea duce la creșterea curentului de vârf (componente potențial dăunătoare cum ar fi comutatorul), la creșterea frecvenței de funcționare, la scăderea eficienței sau la conversia eșuată a puterii împreună.

Depășirea limitelor de tensiune de intrare - defecțiuni ale sistemului

Atunci când parametrii precum frecvența de funcționare sau domeniul ciclului de funcționare sunt încălcați, pot rezulta defecțiuni ale sistemului, care pot duce la funcționarea greșită a funcțiilor interne ale diferitelor topologii. De exemplu, un convertor LLC variază frecvența de funcționare pentru a regla tensiunea de ieșire, frecvența fiind invers proporțională cu câștigul de intrare-ieșire al convertorului. Cu toate acestea, dacă tensiunea de intrare scade, atunci frecvența va scădea și pentru a crește câștigul și a menține o tensiune de ieșire constantă. O caracteristică inerentă a convertorului LLC este că curba de câștig menține doar această relație inversă de frecvență-câștig până la o anumită frecvență. Sub această frecvență relația se inversează (adică câștigul crește odată cu frecvența). Dacă tensiunea de intrare scade până la punctul în care sursa de alimentare se îndreaptă în această regiune (cunoscută sub numele de regiune capacitivă), sursa de alimentare poate funcționa defectuos sau poate defecta complet.

Unele convertoare neizolate, inclusiv convertorul boost utilizat într-un circuit PFC, convertesc numai într-o singură direcție, în sus sau în jos. În cazul unui convertor boost, acesta scoate doar o tensiune mai mare decât tensiunea de intrare. Dacă o sursă de alimentare cu curent alternativ cu corecție a factorului de putere este acționată cu o tensiune de intrare mai mare decât ieșirea tensiunii convertorului boost, convertorul boost nu va funcționa și nu va corecta factorul de putere. În mod similar, un convertor buck, care convertește de la o intrare mare la o ieșire redusă, nu poate funcționa la o tensiune mai mică decât tensiunea de ieșire. Convertorul Buck conține, de asemenea, un comutator a cărui poartă nu este referită la masă și, ca rezultat, folosește un circuit bootstrap pentru a produce tensiunea sursă a porții pentru a conduce FET-ul. Acest circuit bootstrap se bazează pe acțiunea de comutare pentru a crea tensiunea porții, astfel încât, atunci când tensiunea de intrare este prea aproape de tensiunea de ieșire, temporizarea comutatorului împiedică circuitul bootstrap să producă tensiunea de acționare a porții și circuitul încetează să funcționeze.

Sursele de alimentare au și circuite de protecție încorporate pentru a preveni funcționarea în anumite condiții. Acest lucru devine mai frecvent la niveluri de putere mai mari, deoarece defecțiunile sunt mai periculoase și/sau mai scumpe. Protecția împotriva întreruperii este o caracteristică întâlnită în mod obișnuit în sursele de curent alternativ de curent alternativ, care oprește alimentarea dacă tensiunea de intrare scade sub un prag specificat.

Depășirea limitelor de tensiune de intrare - defecțiuni ale specificațiilor

Funcționarea în afara specificației nu cauzează întotdeauna o defecțiune completă, ci în schimb cauzează că performanța sursei de alimentare nu se încadrează în specificațiile acesteia. După cum sa menționat anterior, scăderea tensiunii de intrare va determina o creștere a curentului de intrare, ceea ce duce la pierderi și căldură crescute, reducând în același timp intervalul de temperatură de funcționare și eficiența.

Pentru a proteja sursa de alimentare împotriva defecțiunilor catastrofale, controlerele au adesea protecție încorporată pentru a evita anumite condiții. Aceste protecții nu vor opri alimentarea cu energie electrică, ci vor fixa în schimb o caracteristică la o anumită valoare. De exemplu, în cazul topologiei LLC, există deseori limite de frecvență în interiorul controlerului. După cum sa descris mai devreme, pe măsură ce tensiunea de intrare scade, frecvența de comutare va crește pentru a menține o tensiune de ieșire constantă. Dacă controlerul fixează frecvența odată ce atinge valoarea minimă, atunci tensiunea de ieșire va începe să scadă odată cu tensiunea de intrare.

În timp ce impactul asupra performanței specificațiilor este ușor de estimat în anumite cazuri, cum ar fi cele descrise mai sus, efectele tensiunii de intrare în alte cazuri sunt mai dificil de estimat. Un astfel de exemplu este relația dintre tensiunea de intrare și emisiile electromagnetice (EMI). Funcționarea în afara intervalului specificat de tensiune de intrare poate avea un impact mare asupra EMI și poate duce la nerespectarea reglementărilor relevante. Tensiunea adăugată sau tensiunea de curent pot schimba în continuare eficacitatea filtrului EMI, iar pentru dispozitivele cu frecvență variabilă, modifică punctul de operare la un nivel care provoacă defecțiuni.

Concluzie

Tensiunea de intrare afectează multe aspecte ale unei surse de alimentare, inclusiv tensiunile componentelor, punctul de funcționare și performanța. Funcționarea în afara intervalului specificat poate afecta unul sau mai multe dintre aceste elemente și, dacă este împins prea departe, poate declanșa un circuit de protecție sau eșec total. Pentru a ști cât de departe o sursă de alimentare poate fi împinsă într-o anumită direcție și ce implicații ar fi necesită cunoașterea valorilor și valorilor componente interne, care sunt rareori disponibile utilizatorului și sunt dificil de determinat. Cel mai bun mod de a determina funcționarea sigură a unei surse de alimentare în afara intervalului de tensiune specificat al acesteia este să întrebați producătorul, care poate identifica riscurile și/sau implementa modificările de proiectare necesare pentru a permite funcționarea la nivelul dorit.