Рубрики
Оборудование

Некие способы уменьшения габаритов и увеличения эффективности источников питания AC/DC

Некие способы уменьшения габаритов и увеличения эффективности источников питания AC/DC Виктор Жданкин В статье представлены некие принципы конструирования современных источников питания

Некие способы уменьшения габаритов и увеличения эффективности источников питания AC/DC Виктор Жданкин

В статье представлены некие принципы конструирования современных источников питания AC/DC, применение которых приводит к получению больших характеристик источников питания и улучшению их потребительских свойств. Приведены советы по проектированию, испытанные при разработке источников питания спецами компании XP Power (Англия).

В текущее время усовершенствования в конструкции преобразователей переменного напряжения в неизменное (АC/DC) являются быстрее эволюционными, чем революционными. Комфортно наслаждаться испытанными подходами, так как ни один из новых способов проектирования, как можно ждать, не обеспечивает огромных преимуществ.

При разработке источника питания ставится цель: найти те маленькие усовершенствования, которые должны быть изготовлены в разных частях конструкции устройства для улучшения значений удельной мощности, эффективности и характеристик электрической сопоставимости.

Развивается тенденция к понижению габаритов источников питания, что позволяет предоставить больше места в системе для дополнительные многофункциональных способностей и вычислительных мощностей. При всем этом источники питания должны соответствовать стандартным форматам, чтоб разработчики могли избежать издержек на переработку конструкции системы.

Для источников питания АC/DC не существует существенных технологических достижений, ведущих к уменьшению размеров устройств, потому нормально сочетание изобретательности и кропотливого конструирования. В статье рассматриваются принципы проектирования, которые можно комплексно использовать для минимизации габаритов и цены источников питания и, в то же время, для роста эффективности и гибкости их применений.

Перечислим обычные цели при проектировании источника питания.

Источник питания должен быть как можно меньше для экономии места и предоставления места для дополнительных системных функций. Он должен заносить малый вклад в рассеиваемую в системе термическую мощность. Принципиально, чтоб источники питания имели высшую эффективность, тогда для экономии объема может быть применение наружных теплоотводов (радиаторов) с наименьшими размерами. Для источников питания с выходными мощностями от 100 до 200 Вт достижение значения КПД 90% полностью реально. Улучшение значения КПД на 1% значит уменьшение на 10% термический мощности на верхней границе спектра, а это может обеспечить большое отличие в нужной для источника питания степени остывания. Естественно, цена содержит в себе расходы на материалы и на изготовка технологически сложного изделия, потому принципиальным фактором является простота конструкции источника питания. В конце концов, следует учитывать значимость таких функций, как воплощение наружного управления и сигнализация о дефектах, равномерное рассредотачивание тока нагрузки меж модулями при параллельном включении, способность сохранять рабочие свойства в широком спектре входных напряжений сети переменного напряжения.

Разглядим главные каскады источника питания AC/DC и проанализируем некие отлично испытанные способы уменьшения габаритных размеров и цены без вреда для характеристик и многофункциональных способностей.

  1. Входной фильтр. Двухзвенная конструкция фильтра на базе сердечников с высочайшим значением магнитной проницаемости минимизирует размеры и обеспечивает угнетение синфазных и дифференциальных составляющих помех. Установка неких компонент вертикально может сберечь площадь печатной платы и сделать лучше условия для остывания.

  2. Каскад корректировки коэффициента мощности (ККМ). Применение карбид-кремниевых (Б1С) диодов стало экономически оправданным за последние три года, потому что снизились цены на эти составляющие. Низкое значение оборотного тока восстановления позволяет не использовать демпфирующую цепь, что приводит к экономии 5 либо 6 компонент. К тому же применение 8гС-диодов [1] содействует повышению КПД на 1%. Внедрение дросселя с дискретными зазорами, распределенными повдоль обмотки, обеспечивает высшую индуктивность при большенном значении входного напряжения и сохраняет наивысшую плотность магнитного потока при пониженном напряжении в сети. Применение корректора КМ, работающего в режиме непрерывного тока дросселя, исключаетвозможность резкого конфигурации тока и, соответственно, уменьшает содержание высших гармоник во
    входном токе и понижает требования к входному фильтру.

  3. Основной преобразователь. Применение резонансной топологии преобразователя может фактически исключить коммутационные утраты. При всем этом не только лишь улучшается эффективность источника питания, да и становится вероятным внедрение радиаторов с наименьшими размерами. На практике, применение в неких случаях малогабаритных глиняних теплоотводов для силовых транзисторов предпочтительней железных [2]. Достоинства глиняних радиаторов — это понижение помех и, как следствие, упрощение фильтрации, потому что радиаторы не имеют паразитной емкостной связи с МОSFET-ключом. К тому же, употребляются наименьшие зазоры и расстояния утечек по сопоставлению с металлическими радиаторами. Это дает дополнительную экономию площади.

    В почти всех конструкциях на коммутирующий ключ конвертора поступает напряжение около 370 В. В случае использования в качестве коммутирующего ключа 1-го МОSFET, противо-ЭДС, наводимая за счет скопленной магнитной энергии в первичной обмотке трансформатора, при открытом ключе вынуждает использовать МОSFЕТ-ключ с предельным рабочим напряжением 1000 В (разъясняется это и тем, что при скоростях конфигурации напряжений и токов, которые обеспечивают МОSFЕТ, выбросы напряжения за счет паразитных индуктивностей подводящих проводов и выводов конденсаторов могут привести к отказу элемента). В текущее время МОSFЕТ с такими рабочими напряжениями доступны, но они относительно дороги и характеризуются огромным сопротивлением открытого канала RDC(on) — приблизительно 40 мОм, что существенно понижает эффективность. Нужно также использовать демпфирующую цепь для ограничения импульсов напряжения, воздействующих на входной конденсатор, добавлять размагничивающую обмотку на силовом трансформаторе для передачи энергии оборотного такта в первичный источник либо нагрузку и другие составляющие, потому количество компонент, цена и площадь печатной платы растут. Более разумным решением является применение 2-ух транзисторов МОSFЕТ, установленных так, как это показано на рис. 1. Транзисторы работают вместе на хоть какой из сторон вторичной обмотки трансформатора, и к диодикам в прямом направлении прикладывается напряжение приблизительно на 1 В больше входного напряжения, они ограничивают наибольшее оборотное напряжение, создаваемое магнитной энергией, скопленной в обмотке трансформатора, защищают накопительный конденсатор и избавляют необходимость в демпфирующей цепи. Цена МОSFЕТ с рабочим напряжением 500 В составляет около 1/6 цены МОSFЕТ с рабочим напряжением 1000 В, и это составляющие с сопротивлением открытого канала RDC(on) не выше 5 мОм, их поставляет ряд компаний. Невзирая на малое количество компонент, вариант А (применение в качестве коммутирующего ключа 1-го MOSFET с рабочим напряжением 1000 В) является более дорогостоящим и наименее действенным по сопоставлению с вариантом B (внедрение 2-ух MOSFET с маленьким значением сопротивления открытого канала).

    Некие способы уменьшения габаритов и увеличения эффективности источников питания AC/DC

  4. Выходной выпрямитель. Тут выбор за синхронным выпрямлением: внедрение MOSFET предпочтительней, чем выходных выпрямительных диодов [3], [4]. К примеру, ток 20 А, протекающий через диодик, и падение напряжения на диодике 0,5 В дают рассеивание мощности 10 Вт. Используемый в качестве синхронного ключа MOSFET ссопротивлением канала в открытом состоянии 14 мОм при температуре +100 °С рассеивает только 5,6 Вт, а это уменьшение рассеиваемой мощности на 44%. И тут глиняние основания могут поменять классические железные радиаторы.

  5. 5. Схема управления. В ближайшее время производители полупроводниковых изделий разрабатывают больше интегральных схем управления для источников питания. Это ведет к экономии, как количества компонент, так и площади печатной платы, даже в тех случаях, когда цена интегральных микросхем выше, чем внедрение для схем управления аналоговых (операционные усилители, компараторы, таймеры), логических микросхем и дискретных компонент. В качестве примера можно привести микросхему типа IR1150 — это интегральная микросхема контроллера корректора коэффициента мощности однотакт-ного типа (one-cycle control), которая позволяет существенно уменьшить число компонент без понижения черт источника питания. Подобные спец микросхемы могут обеспечить управление главным преобразователем напряжения и защиту от перегрузки, перенапряжения и перегрева. Они также могут управлять коммутацией выходного выпрямителя. Другие желаемые варианты управления для завышенной гибкости применений — это рассредотачивание мощности с синхронным однообразным пуском [5], схема выключения источника средством логического управления, сигнал статуса источника питания (Power Good) и управление многофункциональными способностями, необходимыми для конвертора дежурного режима (standby) [6]. Преобразователь дежурного режима обеспечивает независящий выходной канал напряжения 5 В при наличии переменного напряжения. На рис. 2 представлен источник питания AC/DC EMA212 — обычное современное устройство, сделанное с применением новейших способов проектирования.

Некие способы уменьшения габаритов и увеличения эффективности источников питания AC/DC

Применение неких из обрисованных способов позволило обеспечить выходную мощность 212,5 Вт источника питания EMA212 компании XP Power. Этот ИП имеет габаритные размеры 76,2x127x31 мм. Высочайшее значение удельной мощности обеспечивается на площади, принятой в индустрии в качестве стандартной, и при всем этом источник питания может быть установлен в конструктив высотой 1U. Устройство обеспечивает 12, 24 либо 48 В по основному каналу (выходная мощность более 200 Вт), 12 В/1 A для обеспечения питанием вентилятора и 5 В для дежурного питания. Для остывания нужно применениевоздушного потока маленький интенсивности, который может быть обеспечен стандартными вентиляторами с площадью 40×40 мм. Принудительное остывание воздушным потоком в текущее время является стандартным в почти всех коммуникационных системах, и поток 12 фут3 /мин создается без внедрения сложных конструктивных средств. Стоит отметить, что при полной нагрузке источник питания ЕМА212 обеспечивает КПД 91%.

Способности для улучшения конструкции источников питания АС/БС есть и будут, и они в значимой степени определяются оптимизацией технических характеристик и многофункциональных способностей полупроводниковых устройств. Магнитные и пассивные составляющие с улучшенными параметрами также играют свою роль. Лучшие источники питания разрабатываются на базе испытанных прогрессивных компонентных технологий.

При проектировании источников питания нужно направить внимание на соблюдение последующих советов.

  1. Силовые полупроводниковые составляющие следует припаивать конкретно к печатной плате, а потом соединять с шасси связывающим вешеством, что предпочтительней, чем их изолирование и крепление к шасси обычным методом — гайками и болтами. Отличные тепловые соединительные материалы относительно дороги, но эта разработка позволяет уменьшить издержки на сборку, уменьшить габариты и понизить температуру переходов на 10 °С. Не считая того, термические свойства становятся более прогнозируемыми и неизменными. С снижением рассеиваемой термический мощности устройства у разработчика возникает возможность выбора: извлечь пользу из роста значения МТББ (время меж отказами), потому что понижение температуры на каждые 10 °С в два раза наращивает значение времени выработки до отказа, либо прирастить выходную мощность источника питания без уменьшения сначало рассчитанного значения МТББ.

  2. Подмена в конструкции повышающего конвертора выпрямительных диодов карбид-кремниевыми (81С) диодиками. Главным недочетом обыденных диодов являются импульсы оборотного тока. Огромные оборотные токи вызывают утраты мощности в диодике и коммутирующем транзисторе, которая должна рассеиваться при помощи использования демпфирующих (снабберных) цепей, как показано на рис. 3.

    Некие способы уменьшения габаритов и увеличения эффективности источников питания AC/DC

    Для рассеивания мощности, генерируемой ненужным оборотным током диодика, используют 6 дополнительных компонент. Приобретенная площадь печатной платы с надлежащими компонентами, выделенная голубыми точками, показана на рис. 4.
    Некие способы уменьшения габаритов и увеличения эффективности источников питания AC/DC

    Карбид-кремниевые диоды характеризуются очень низким значением оборотного тока восстановления диодика, потому их можно использовать без дополнительных компонент, в итоге экономится площадь печатной платы, как это показано на рис. 5, уменьшаются издержки на установка и возрастает время меж отказами (МТББ).
    Некие способы уменьшения габаритов и увеличения эффективности источников питания AC/DC

    Не считая того, благодаря отсутствию утрат мощности из-за оборотного тока восстановления диодика значение КПД увеличивается на 1%, что можно расценить как существенное улучшение. Что касается цены, решение на базе 8гС-диодов в текущее время сравнимо с применением обыденного диодика и демпфирующей цепи. Ориентировочные расчеты текущих цен компонент на базе издержек для источника питания с выходной мощностью 1000 Вт представлены в таблице 1.

    Более низкая цена компонент обычного решения компенсируется более низкой ценой сборки источника питания при использовании 81С-диода. К тому же цена карбид-кремниевых диодовот главных производителей Infineon и Сгее продолжает понижаться, потому что разработка становится все более совершенной, потому применение SiC-диодов скоро станет более экономным решением.

  3. Таблица 1. Расчет цены компонент при использовании в схеме повышающего преобразователя 1000-ваттного источника питания AC/DC обыденного диодика и SiC-диода

    Обыденные диоды и демпфирующая цепь
    Карбид-кремневый диодик
    Компонент
    Цена, $
    Компонент
    Цена, $
    Диодик 01 20А/60 В 1,75 SiC диодик D1 4,80 Диодик 02 0,70 Диодик 03 0,70 Дроссель 1 0,17 Резистор R 0,03 Конденсатор С1 0,09 Конденсатор С2 0,06 Итого 3,50 Итого: 4,80

  4. Не рекомендуется подключать радиаторы массивных полупроводниковых компонент к шасси — лучше оставлять их «плавающими» с электронной точки зрения. Это обеспечивает их главные достоинства: во-1-х, уменьшаются электрические помехи, так как помехи не распространяются через шасси; во-2-х, отпадает необходимость в применении варисторов MOV (Metal Oxide Varistor), которые обычно нужны для угнетения импульсов напряжения, применение изолированных радиаторов стопроцентно исключает передачу импульсов напряжения от источника питания; в конечном счете, это уменьшает ток утечки, что очень принципиально для мед применений.

  5. Нужно избегать стандартных подходов при разработке механической конструкции. Дальше приводятся несколько примеров, когда творческое мышление принесло достоинства.

    A. Дроссели, выполненные на тороидальных сердечниках, могут быть установлены на фильтрующих конденсаторах, что предпочтительней размещения их рядом на печатной плате, как показано на рис. 6. Это не только лишь сберегает площадь печатной платы, да и уменьшает монтажные соединения меж компонентами фильтра и улучшает его эффективность.

    Некие способы уменьшения габаритов и увеличения эффективности источников питания AC/DC

    Б. Защита охлаждающих вентиляторов, установленная впритирку к шасси, может сделать значительную воздушную турбулентность и шум. Защита вентилятора, показанная на рис. 7, выштампована из железного листа и приподнята на 4 мм для сотворения соответственного зазора меж вентилятором и защитой вентилятора. Это обеспечивает уменьшение шума вентилятора на 4 дБ, что очень значительно для многих приложений.

    Некие способы уменьшения габаритов и увеличения эффективности источников питания AC/DC

    B. Применение сменных вентиляторов имеет два положительных момента. Вентиляторы — потенциально более ненадежные части хоть какого источника питания, потому обеспечение способности их подмены при эксплуатации уменьшает издержки на сервис и способствует реализации программ запланированного ТО.К тому же, если источник питания предназначен для реализации, нет необходимости учесть характеристики надежности вентилятора при расчете значения времени меж отказами, так как вентилятор не рассматривается в качестве составной части источника питания. Это увеличивает вычисленное значение МТББ источника питания.

    Г. Уменьшение количества печатных плат в конструкции. В конструкции многих источников питания используются отдельные печатные платы для основной части источника питания, фильтрующих цепей, интерфейсных и управляющих схем. При кропотливой проработке конструкции все это может быть расположено на одной плате, что существенно наращивает надежность благодаря минимизации монтажных соединений и сокращению общего размера источника питания.

Ни один из обозначенных способов сам по для себя не является уникальным, но они были использованы комплексно при конструировании конфигурируемых источников питания серии fleXPower компании XP Power, внешний облик которых приведен на рис. 8. В итоге работы по проектированию габариты источника питания были уменьшены еще на 10%, значение КПД увеличено на 1%, усовершенствованы характеристики электрической сопоставимости и ток утечки на «землю», сокращено количество компонент, снижены производственные издержки, облегчено сервис и снижены акустические шумы по сопоставлению с предыдущими моделями. Может быть, ничего революционного, но, все же, приобретенные источники питания серии fleXPower существенно лучше собственных предшественников.
Некие способы уменьшения габаритов и увеличения эффективности источников питания AC/DC