Захранвания с подобрена пикова производителност CUI Inc.

21 април 2020 г. от Аарон Ярнел - Време за четене: 8 минути

Един от основните параметри за характеризиране на електронните захранвания е максималната мощност, която те могат да доставят на товар. Повечето дизайнери избират захранване, така че номиналното натоварване да е в диапазона от 60% до 80% от максималната мощност на захранването. Това може да се разглежда и като максимален капацитет на захранването, който е с 25% до 67% над номиналния товар. При вземането на това проектно решение инженерът позволява на системата да работи при условия на пиково натоварване, които са в рамките на определения обхват на мощността на захранването. Има обаче някои класове натоварвания на захранването, които не отговарят на този модел на работа:

Периодично натоварвания с високо ниво, които иначе работят при изключително ниски нива на мощност.
Натоварвания с високи изисквания за начална мощност, които след това се регулират към по-ниски нива на работна мощност.

Дизайнерите често питат своите доставчици: „Налични ли са захранвания с висока пикова мощност, които могат да се справят с големи преходни натоварвания?“ Захранванията с CUI с Power Boost отговарят на това изискване. Тези продукти имат сходни спецификации за изходна мощност с традиционните захранвания, но освен това могат да поддържат пиково ниво на мощност, което е два пъти максималното номинално ниво (за продължителност до десет секунди и с максимален работен цикъл 10%). Това позволява на клиентите да изберат захранване въз основа на номинално ниво на мощност, а не на пиково потребление на енергия.

Този избор позволява на дизайнера да използва захранване с по-ниска максимална мощност и потенциално да намали цената на системата. В този пост в блога обсъждаме захранвания с постоянно напрежение и следователно концепцията, че изходният ток може да се използва взаимозаменяемо с изходната мощност (изходният ток е пропорционален на изходната мощност).

Фигура 1: Диаграма на кривата с пиково натоварване при 200% от номиналното натоварване и фактор на гребена от 3,2 (200%/62%)

Ограничение на тока в конвенционалните проекти за захранване

Повечето захранвания са оборудвани с функция за откриване и защита от свръхток. Вътрешната верига за откриване на свръхток реагира в рамките на милисекунди, за да предпази захранването от повреда в случай на прекомерни токове на натоварване. Въпреки че захранването може да не отговаря на експлоатационните спецификации в листа с данни, ако токът на натоварване е по-голям от посочения максимален работен ток, захранването все още трябва да бъде проектирано така, че работата по време на свръхток да не повреди захранването. Ако ограничението за свръхток е близо до максималния работен ток, захранването не може да продължи да работи с много по-висок изходен ток (и вътрешно разсейване на мощността), преди да се активира защитата от свръхток. Като правило прагът на защита от свръхток се задава възможно най-близо до максималния номинален изходен ток (често 110% от максималния изходен ток), за да се осигури икономично ефективно захранване.

Концепцията за захранване за работа при номинален изходен ток от около 62% от максимално посочения ток на натоварване и задаване на прага на защита от свръхток на 110% от максимално посочения ток на натоварване е много подходяща за натоварвания, при които съотношението на върховото натоварване към средното натоварване (фактор на гребена) е около 1,8 или по-малко (110%/62%). За товари с коефициент на гребен над 1,8 (по-големи пикови натоварвания), разходите за захранването спрямо средната консумирана мощност може да са неприемливи, тъй като захранването работи при номинален товар, който е значително под максималния номинален товар. В системи с натоварвания с коефициенти на гребен над 1,8 е изгодно, поради съображения за разходи и размери, да се използва захранване с висок толеранс.

Примери за товари с висок коефициент на гребен

Има много видове натоварвания на захранване, които консумират голямо количество енергия за кратък период от време и след това преминават в режим с по-ниска мощност, така че коефициентът на гребена може да бъде 3: 1 или повече. Някои примери за продукти и приложения с такива свойства включват:

Термопринтер с нагревателни елементи, които първоначално са отменени, за да се достигне бързо правилната работна температура.
Електрически двигатели при стартиране, когато текущата консумация е висока поради липсата на обратна ЕМП.
Големи филтърни кондензатори, които изтеглят голям ток при първо зареждане.
Тестови модули, които могат да извършват периодичен и краткосрочен тест с висока консумация на енергия по време на тестовото събитие и имат ниска консумация на енергия между тестовите събития.

Фиг. 2: Примери за приложения с висок коефициент на гребен

Захранващи компоненти, които са от решаващо значение за осигуряване на захранвания с висок гребен

Има няколко области на захранването, на които трябва да се обърне внимание, за да се създаде евтин дизайн, който поддържа товари с високи фактори на гребена на мощността. За повечето AC/DC захранвания входният ток протича първо през предпазител и EMI филтър, а след това през мостов токоизправител. Там входният ток зарежда резервен кондензатор (Фигура 3). Резервният кондензатор гарантира, че изправеното напрежение, захранващо останалата част от захранването, се поддържа над минимално ниво, така че веригите на захранването да могат да функционират правилно. Този кондензатор трябва да е достатъчно голям, за да поддържа максимално посочения ток на натоварване при минимално определеното входно напрежение. В случай на CUI Power Boost захранване, връзките на резервния кондензатор стават достъпни за потребителя, така че може да се добави допълнителен резервен капацитет, ако това е необходимо за приложението.

Фиг. 3: Входен етап на захранването с резервен кондензатор

Втори компонент в AC/DC захранвания със специфични изисквания за прилагане на усилване на мощността е изолиращият трансформатор или свързаният индуктор (Фигура 4). Този магнитен елемент трябва да бъде проектиран така, че да не е наситен по време на подаване на пиковия ток на натоварване. Допълнително значение е, че капацитетът за разсейване на топлината на този елемент трябва да бъде достатъчно голям, за да се справи с високите изисквания към върховото натоварване.

Фиг. 4: Изолационен трансформатор или свързан индуктор

Първичният страничен превключвател е трети елемент от захранването на Power Boost, който трябва да бъде избран с определени характеристики, за да функционира правилно по време на големите върхови токове на натоварване (Фигура 5). В случая на превключвателя основната грижа е разсейването на мощността по време на постоянен ток на върхово натоварване. Едно от възможните решения за решаване на този проблем е добавянето на топлинна маса към превключвателя, за да се абсорбира прекомерната топлина, генерирана по време на периода на пиково натоварване. Топлинната маса може да бъде изпълнена или като присъща характеристика на корпуса, или като външен радиатор, прикрепен към корпуса на превключвателя.

Фиг. 5: Основен страничен превключвател

Заключение

Докато повечето натоварвания с електронно захранване имат пикови изисквания за мощност, които са относително близки до номиналните нива на мощност, има много приложения, които изискват пиково ниво на мощност, което е значително по-голямо от номиналното ниво на мощност. За приложения, които имат големи, краткотрайни пикови натоварвания и ниски работни цикли, моделите Power Boost на CUI са чудесно решение. Този клас захранвания доставят върховата мощност, от която се нуждаете, в по-малко, по-леко и по-евтино решение от традиционните захранвания.