Autor:
Dylan Howes, inginer de aplicații, TT Electronics

funcționarea

Data
06/07/2019

Strategiile inteligente pot evita efectele adverse și adesea neprevăzute asupra emisiilor de RF și compatibilitatea produsului final

Faceți clic pe imagine pentru a mări

Figura 1: Forma de undă Vg sub încărcare relativ grea, rezistivă. (f = 100kHz)

Ca răspuns la standardele în continuă evoluție a eficienței alimentării cu energie electrică, producătorii de surse de energie utilizează funcționarea în modul rafală (printre alte strategii de economisire a energiei) pentru a reduce consumul de energie de așteptare al adaptoarelor de alimentare externe. Tehnicile de conversie eficiente nu vin fără un anumit cost. Funcționarea în mod rafală poate avea efecte adverse și adesea neprevăzute asupra emisiilor RF și asupra compatibilității produsului final. Acest articol va oferi o scurtă privire de ansamblu asupra potențialelor probleme și câteva soluții posibile.

Când Departamentul Energiei (DoE) și-a pus în practică acum familiare cerințe de eficiență de nivel VI, în 2016, producătorii de echipamente electronice din întreaga lume au trebuit să reacționeze - adoptând noi strategii concepute pentru a îndeplini noi cerințe stricte pentru eficiența modului mediu-activ și pentru o perioadă de repaus consumul de energie. Acum, pe măsură ce legislația de nivel 2 privind Codul de conduită (CoC) se apropie de adoptare în Uniunea Europeană, o tendință similară a industriei se dezvoltă. Noua legislație va necesita putere de intrare fără sarcină pentru ca unele adaptoare externe să rămână sub o măsură de 75mW și va specifica, de asemenea, o țintă de eficiență dificilă pentru funcționare la 10% din sarcina nominală. Respectarea oricăruia dintre aceste mandate nu este o minunăție pentru o sursă de alimentare, iar utilizarea funcționării în modul rafală va continua să se dovedească esențială în proiectele viitoare.

Modul rafală este un mod operațional prin care circuitul de control al sursei de alimentare și circuitul de comutare (și uneori caracteristici suplimentare) sunt dezactivate intermitent atunci când sarcina de curent continuu (DC) este deosebit de ușoară sau absentă. Caracteristica poate fi gândită ca un semnal de gating cu un ciclu de funcționare care este proporțional cu sarcina suprapusă semnalului de comutare standard al modulației lățimii impulsurilor (PWM), care în sine este în esență un tren de impulsuri cu un timp proporțional cu sarcina DC instantanee. „Semnalul de gating” în modul rafală are pur și simplu o perioadă mult mai lungă, astfel încât mai multe impulsuri PWM apar în timpul unei singure „rafale”. Relativ vorbind, o mare cantitate de energie se pierde atunci când un tranzistor cu efect de câmp semiconductor metal-oxid (MOSFET) comută stările, ceea ce se întâmplă în timpul fiecărui ciclu de operare standard de alimentare cu comutare (SMPS). Aceste pierderi pe unitate de timp sunt proporționale cu frecvența de comutare (deoarece comutatorul schimbă stările mai frecvent pe unitate de timp). Dacă sarcina de curent continuu este ușoară și nu trebuie transferată multă energie din primar în secundar, ciclul de funcționare PWM va scădea la o valoare minimă, dar altfel ar schimba stările la fel de des, presupunând un dispozitiv cu frecvență fixă.

Deoarece schimbarea ciclului de funcționare a semnalului PWM nu afectează neapărat eficiența, ideea semnalului de porțiere suplimentară este de a elimina complet ciclurile de comutare care nu sunt necesare pentru a menține sarcina, reducând în mod eficient pierderile de comutare. Aceasta este o practică importantă, nu doar pentru o funcționare fără sarcină (reducerea consumului de repaus), ci și pentru o operare cu sarcină ușoară, deoarece dominanța oricărui mecanism de pierdere este semnificativ mai mare atunci când puterea de ieșire este mică. Pentru a exemplifica acest mod operațional, Figura 1 arată semnalul de impuls al porții MOSFET (Vg) al unei surse de alimentare reprezentative în timp ce funcționează sub o sarcină rezistivă grea (un tren de impulsuri periodic, periodic cu perioadă fixă ​​și ciclu fix de funcționare), în timp ce Figura 2 arată Vg în timp ce sursa de alimentare funcționează sub sarcină. Figura 3 arată o vedere mărită a „rafalelor” prezentate în Figura 2. Observați că trenul original de impulsuri nu a schimbat frecvența, ci mai degrabă segmente întregi ale trenului de impulsuri au fost închise, eliminând o multitudine de tranziții MOSFET.

Faceți clic pe imagine pentru a mări

Figura 2: Un tren de impulsuri Vg care este închis în modul rafală. Impulsurile individuale PWM nu sunt vizibile din cauza scalei de timp (a se vedea figura 3 pentru o primă plană)

Faceți clic pe imagine pentru a mări

Figura 3: O vizualizare mărită a unui început de „rafală”. Frecvența trenului de impuls PWM este în mare parte neschimbată

Deși funcționarea în modul rafală este o abordare inovatoare pentru reducerea pierderilor de sarcină ușoară și ușoară, există încă o serie de implicații de proiectare de luat în considerare. Iată două cazuri în care am văzut probleme de compatibilitate a aplicațiilor care se regăsesc în modul de funcționare în rafală.

Cazul 1: fluctuație excesivă a tensiunii continue

Într-un scenariu de client, mai multe unități de alimentare cu energie electrică (PSU) au eșuat dintr-o parte a procesului lor de inspecție. Echipamentul clientului nu va porni când puterea a fost alimentată de unii dintre convertoare. Cu toate acestea, programul lor a fost în producție de ceva vreme și făceau comenzi regulate fără probleme raportate. Producătorul era nerăbdător să vadă de ce nu treceau niște subseturi mici de unități.

Clientul a returnat mai multe unități pentru evaluare. Când producătorul a primit unitățile returnate, au descoperit rapid o problemă potențială: deși tensiunea de ieșire ar fi putut să pară constantă atunci când a fost măsurată cu un voltmetru digital, scanările cu osciloscop au arătat că tensiunea de ieșire fluctua rapid cu până la 5% din curentul nominal nominal. nivel atunci când sursele de alimentare au fost descărcate sau ușor încărcate. Acesta este un artefact rezonabil obișnuit al funcționării în modul rafală, deoarece partea secundară a convertorului își primește energia în bucăți separate și separate. Gradul de fluctuație nu a fost foarte consistent în toate unitățile eșantionate, probabil din cauza toleranțelor din circuitul integrat de control (IC). Prin discuții cu clientul, producătorul PSU a aflat că sarcina de ralanti a dispozitivului final este foarte ușoară și că există un circuit de blocare sub tensiune în sistem care îl va împiedica să pornească cu un nivel scăzut sau, în acest caz, excesiv de zgomotos. tensiune de intrare. Pentru a exemplifica formele de undă reprezentative, Figura 4 prezintă o comparație cuplată în curent alternativ a ieșirii de curent continuu a unui convertor care funcționează în modul rafală, comparativ cu modul normal de funcționare. Observați că vârfurile formei de undă din dinți de ferăstrău sunt concomitente cu exploziile de energie prezentate în Figura 2.

Faceți clic pe imagine pentru a mări

Figura 4: Ieșire DC în timpul funcționării în modul rafală (stânga) și în timpul funcționării normale (dreapta)

În timp ce tensiunea de ieșire rămânea încă în cadrul specificațiilor producătorilor +/− 5%, forma de undă asociată cu operația în modul rafală a declanșat echipamentul să intre într-o stare de blocare a subtensiunii și să rămână blocat. Pentru a rezolva problema, producătorul a reușit să regleze valoarea de referință a activării modului de explozie a alimentatoarelor pentru a fi chiar sub sarcina de repaus în cele mai grave cazuri a echipamentului. Ca urmare, clientul nu a trebuit să facă modificări la echipamentul său, reușind în același timp să îndeplinească cerințele de consum de energie electrică asociate cu DoE Nivelul VI.

Cazul 2: Emisii RF

Într-un alt caz, un client se actualiza la o nouă sursă de alimentare conformă cu nivelul VI în timpul unei reproiectări a produsului. Desigur, noul sistem trebuia reevaluat în raport cu standardele actuale de siguranță și compatibilitate electromagnetică (EMC) pentru echipamentele de tehnologie informațională (ITE). Când laboratorul de testare EMC evalua sistemul pentru compatibilitatea electromagnetică, au constatat că sistemul a depășit limitele de emisii în timpul mersului în gol, dar a trecut în timpul funcționării normale a sistemului. Acest lucru a generat un pic de enigmă, deoarece sursele de alimentare vor prezenta de obicei cele mai mari emisii la sarcină maximă. Cu toate acestea, o evaluare ulterioară a arătat că sarcina de ralanti a clientului a fost atât de redusă încât sursa de alimentare funcționează încă în modul rafală. Ca urmare a topologiei rezonante a convertoarelor, emisiile PSU au fost extrem de scăzute în timpul funcționării normale și, de fapt, mai mari la sarcina ușoară.

Deși sursa de alimentare a trecut singură testarea emisiilor la sarcină ușoară, marja de trecere a fost de câțiva dB. Combinația dintre emisiile de alimentare cu energie și emisiile echipamentelor în aceste condiții a fost suficientă pentru a provoca o defecțiune la nivel de sistem. O revizuire a funcționării în modul rafală a IC-urilor de control a relevat rădăcina problemei.

Pentru acest cip de control special care funcționează în modul rafală, frecvența de comutare a fost de fapt modulată pe o gamă largă și nu a fost fixată. Funcționarea cu frecvență fixă ​​a fost restabilită la sarcini mai mari. Frecvențele de comutare a sarcinii ușoare nu au fost atenuate la fel de eficient de către convertoarele filtre EMC, care au fost proiectate pentru frecvența normală de funcționare. În plus, deși nu este cazul în această situație specială, funcționarea în modul rafală a convertoarelor de putere mai mare este, de asemenea, frecvent însoțită de o oprire a oricărui circuit de corecție a factorului de putere activ (PFC), întrucât reglementările privind curentul armonic din seria 61000 nu se aplică luminii- condiții de funcționare a sarcinii. Această oprire contribuie la eliberarea de conținut armonic pe rețea și, de asemenea, posibil pe radiatoare externe (cabluri) care altfel ar fi atenuate de PFC activ. În mod similar scenariului primului exemplu, producătorul a reușit să regleze punctul de referință al modului de rafală la un nivel adecvat pentru aplicație și să păstreze consumul de energie fără sarcină în limite.

Odată cu utilizarea din ce în ce mai mare a produselor de conversie a energiei în gospodăriile și birourile din întreaga lume, mandatele de eficiență și progresele tehnologice care le fac posibile sunt absolut esențiale. Cu toate acestea, este important să se ia în considerare ramificațiile acestor măsuri de creștere a eficienței. În ambele cazuri subliniate în acest articol, soluția a fost relativ simplă și a necesitat o redefinire foarte mică. În viitor, pe măsură ce cerințele de eficiență devin din ce în ce mai stricte, iar tehnologiile de alimentare cu energie devin mai complexe, vor trebui luate în considerare măsuri suplimentare pentru a atenua efectele secundare provocate de aceste noi tehnologii.