Nu toate sursele de alimentare reacționează la supratensiuni și subtensiuni și curenți în același mod. Merită să cunoașteți diferențele dintre diferite abordări ale protecției.
Ron Stull | CUI Inc.
Sursele de alimentare pot experimenta condiții de funcționare în afara limitelor normale specificate, cum ar fi sub sau supratensiune de intrare, sau variații ale sarcinii și temperaturii ambiante. Aceste condiții pot provoca răspunsuri precum opriri, degradarea performanței sau defecțiuni ale componentelor. Pentru a minimiza astfel de dificultăți, proiectanții de produse trebuie să știe cum va funcționa livrarea lor în afara limitelor specificate.
La intrarea sursei de alimentare, fluctuațiile de tensiune pe linia de alimentare alternativă pot suprasolicita protecția obligatorie și filtrarea componentelor, cum ar fi condensatorii X, condensatorii Y și varistoarele de oxid de metal (MOV). Toate acestea au moduri de avarie cunoscute atunci când sunt expuse la tensiuni peste valoarea maximă nominală. Condensatoarele X, de exemplu, sunt proiectate să funcționeze scurt și vor deschide de obicei siguranța, oprind sursa de alimentare. Condensatoarele Y, pe de altă parte, sunt proiectate să nu poată fi deschise. Această defecțiune poate trece neobservată de ceva timp, deși condensatorul nu va mai filtra efectiv zgomotul în modul comun.
Efectele supra-tensiunii asupra siguranței pot depinde de tensiunea nominală a siguranței sau de tensiunea de rezistență a acesteia. Dacă tensiunea peste siguranță depășește această valoare nominală, arcuirea poate împiedica siguranța să protejeze circuitul conform intenției. Această condiție crește riscul de incendiu și poate provoca probleme la intrare sau în circuitele din aval.
Supratensiunile pot interacționa, de asemenea, cu elemente parazite din circuitele de alimentare, putând crește tensiunea legată de tensiune pe semiconductorii de putere. Într-un convertor flyback, tensiunea de vârf de pe întrerupătorul de alimentare este determinată de o combinație a tensiunii de intrare și a tensiunii de ieșire, precum și a raportului de transformare a transformatorului și a inductanței de scurgere. Această tensiune de vârf poate fi dificil de calculat și de obicei trebuie măsurată direct.
În schimb, subtensiunea provoacă curenți mai mari în componente precum siguranța, redresorul și întrerupătoarele de alimentare. Rezultatul poate fi o încălzire internă suplimentară care poate duce la eșec rapid sau fiabilitate redusă. Curentul mare poate introduce, de asemenea, o pierdere a inductanței sau o saturație a componentelor magnetice, cum ar fi bobina PFC (corecția factorului de putere). În unele topologii, astfel de condiții pot provoca curenți de vârf potențial dăunători la întrerupătoarele de alimentare, o creștere a frecvenței lor de funcționare, o pierdere a eficienței energetice sau sursa de alimentare se poate opri.
În alte topologii, tensiunea de intrare scăzută poate afecta frecvența de funcționare sau ciclul de funcționare și poate provoca o defecțiune a alimentării. În convertoarele rezonante LLC, o variație a frecvenței de funcționare reglează tensiunea de ieșire. Dacă tensiunea de intrare scade, frecvența încetinește pentru a crește câștigul de intrare-ieșire și pentru a menține tensiunea de ieșire stabilă. Cu toate acestea, există o frecvență minimă sub care reducerea suplimentară scade câștigul și astfel poate provoca defecțiuni sau defectarea sursei de alimentare.
Supratensiunea poate afecta și circuitele PFC. Un convertor PFC-boost va înceta să regleze dacă tensiunea de intrare crește peste ieșire.
Desigur, există mai multe modalități de a proteja sursa de alimentare împotriva variațiilor excesive de tensiune de intrare. Sursele de alimentare de înaltă putere au adesea o protecție de decolorare pentru a iniția oprirea dacă tensiunea de intrare scade sub un prag specificat. Alte mecanisme de protecție permit alimentării cu energie să continue să funcționeze, deși performanța poate avea de suferit. Un convertor LLC, de exemplu, poate fixa frecvența de funcționare la un prag minim pentru a preveni funcționarea defectuoasă. În timp ce acest lucru ajută la protejarea sursei de alimentare împotriva defecțiunilor, aceasta va provoca o pierdere a reglării la ieșire.
Supracurent de ieșire
Pentru a minimiza costurile sau a reduce volumul, proiectanții pot fi tentați să dimensioneze sursa de alimentare pentru cerințele tipice de sarcină, fără a lua în considerare curenții de sarcină tranzitorii peste valoarea nominală aleasă. Majoritatea surselor de alimentare conțin protecție la supracurent, dar există diferite tipuri. Unele au o limită de curent bine definită, aproape de puterea maximă nominală. O limită prea mare de curent poate forța alimentarea să se oprească frecvent.
În acest exemplu, eficiența unei surse de alimentare de 200 W scade cu 1% sub vârf atunci când funcționează cu 20% peste puterea nominală, determinând creșterea disipării puterii cu 30%. Astfel, o mică modificare a eficienței mărește disiparea puterii exponențial.
Alte scheme sunt mai flexibile și permit curenților de ieșire pe termen scurt să depășească limita nominală. Dar consumabilele cu acest tip de protecție (sau cele fără protecție) pot experimenta o creștere a temperaturii din cauza supracurentului care poate degrada performanța sau poate provoca o defecțiune a MOSFET-urilor, diodelor, rezistențelor sau chiar a urmelor de cupru. Rețineți că disiparea puterii crește liniar cu curentul în diode, datorită tensiunii lor fixe și exponențial în MOSFET-uri și componente rezistive.
Choke-urile și transformatoarele au un răspuns mai complex la supracurenți. Pe lângă provocarea încălzirii interne din rezistența bobinei, supracurenții pot provoca pierderi mai mari ale miezului și saturație magnetică, agravând disiparea puterii și creșterea căldurii. Saturația poate, de asemenea, să oprească funcționarea sursei de alimentare sau să facă mai probabilă defectarea componentelor. Într-un convertor Buck, unde curentul de ondulare este direct legat de inductanță, pierderea inductanței datorată saturației provoacă curenți mai mari în MOSFET și diodă.
Ar trebui luate în considerare și efectele inductanțelor parazitare, cum ar fi scurgerea transformatorului. Aceste efecte pot produce vârfuri de tensiune atunci când comutatoarele schimbă starea, devenind mai mari la sarcini mai mari. Un vârf excesiv poate distruge un MOSFET sau poate determina senzorii de curent sau tensiune să trimită informații inexacte către controler, afectând potențial performanța sau provocând defecțiuni.
În unele consumabile, funcționarea dincolo de domeniul de sarcină specificat poate provoca scăderea tensiunii de ieșire sub limita de tensiune reglementată. Unele consumabile mai mici au, de asemenea, un curent de sarcină minim sub care cad reglementarea.
Variațiile în eficiența alimentării cu energie electrică, în special în apropierea sarcinii nominale maxime, afectează, de asemenea, performanța și fiabilitatea. Eficiența atinge de obicei vârfurile sub sarcină maximă. Dincolo de vârf, eficiența scade, sporind disiparea puterii exponențial pe măsură ce sarcina crește. Disiparea crescândă nu numai că poate încălzi componentele, ci și împiedica respectarea reglementărilor obligatorii de eficiență.
O altă considerație este reglarea sarcinii - schimbarea maximă a tensiunii de ieșire de la fără sarcină la sarcină completă. Funcționarea dincolo de domeniul de sarcină specificat poate scădea tensiunea de ieșire sub limita de tensiune reglementată. Unele surse de alimentare mai mici specifică, de asemenea, un curent minim de încărcare. Funcționarea unității sub această limită poate compromite reglarea în același mod ca și depășirea curentului maxim de încărcare.
Având în vedere mediul
Selecția sursei de alimentare trebuie să ia în considerare și condițiile de mediu. Temperaturile excesiv de ridicate sau scăzute pot degrada profund performanța și fiabilitatea. Unele componente, cum ar fi condensatoarele electrolitice, pot vedea o reducere de 50% a duratei de viață utilă cu o creștere a temperaturii ambiante de doar 10 ° C. Alternativ, temperaturile scăzute pot provoca probleme, cum ar fi embrionul articulațiilor de lipit, conexiunile sau cablurile componentelor, rezultând o defecțiune timpurie.
Ambele limite superioare și inferioare ale temperaturii de funcționare sunt definite pentru a se asigura că componentele vor funcționa așa cum specifică producătorii lor. Performanța lor nu poate fi garantată în afara acestui interval. Ignorarea limitelor de temperatură poate degrada eficiența alimentării cu energie electrică, variația de ieșire, reglarea sau parametrii de emisie de zgomot.
Componentele cheie ale sursei de alimentare pot avea un coeficient de temperatură pozitiv sau negativ (PTC sau NTC). MOSFET-urile sunt dispozitive PTC a căror rezistență crește odată cu creșterea temperaturii. Diodele redresoare de punte, pe de altă parte, sunt dispozitive NTC; pe măsură ce tensiunea directă scade odată cu creșterea temperaturii, la fel și disiparea internă a puterii și generarea de căldură. În funcție de sursa de alimentare individuală, dispozitivele NTC sau PTC vor domina pe măsură ce temperatura se schimbă, determinând creșterea sau scăderea eficienței generale a alimentării.
Rezistoarele utilizate pentru a detecta condițiile de funcționare și pentru a controla alimentarea cu energie electrică transportă de obicei un curent redus, astfel încât în general nu sunt vulnerabile la încălzirea excesivă sau la disiparea puterii. Dar schimbarea temperaturii afectează valoarea rezistenței lor. Schimbarea rezistenței poate duce la modificări nedorite ale parametrilor de alimentare, cum ar fi tensiunea de ieșire reglată. Alte efecte pot include declanșarea timpurie sau târzie a mecanismelor de protecție care depind de curentul detectat.
Comportamentul tipic al unui condensator electrolitic de aluminiu la temperatură.
La temperaturi scăzute, capacitatea condensatorilor electrolitici scade, rezultând un curent mai mare sau o defectare a alimentării cu energie electrică. În plus, rezistența dispozitivelor NTC, cum ar fi termistoarele de limitare a curentului de intrare, va crește pe măsură ce scade temperatura ambiantă, ceea ce poate reduce eficiența sau poate împiedica pornirea.
Unele surse de alimentare conțin protecție la supra-temperatură și se vor opri până când temperatura scade în limita specificată. Altele pot include protecție doar pentru anumite componente sau subcircuite, o practică care poate cauza probleme dacă unele părți ale sursei de alimentare se opresc în timp ce altele continuă să funcționeze.
Dispozitivele PTC, cum ar fi MOSFET-urile, sunt de obicei proiectate-cu o anumită marjă de siguranță pentru a proteja împotriva supra-temperaturii. Cu toate acestea, marja depinde de condițiile de funcționare, cum ar fi tensiunea de intrare și poate fi mai îngustă în unele părți ale domeniului de funcționare decât altele.
În cele din urmă, proiectanții ar trebui să investigheze efectele supratensiunii sau subtensiunii asupra emisiilor electromagnetice (EMI). Supratensiunea sau subtensiunea la intrare sau supracurentul de ieșire poate modifica proprietățile componentelor de filtrare EMI sau poate provoca suprasolicitare care le poate afecta performanța. Deși este dificil de estimat, efectul poate fi semnificativ și poate duce la nerespectarea reglementărilor EMC.
În total, proiectanții trebuie să înțeleagă modul în care o sursă de alimentare poate răspunde la toate modificările de intrare, ieșire sau condiții de mediu, indiferent dacă sunt sau nu în limite specificate. Acest tip de informații îi ajută pe proiectanți să evalueze performanța sistemului, fiabilitatea, longevitatea și respectarea reglementărilor tehnice.