Quando si sceglie un alimentatore AC/DC per un progetto, ci si trova di fronte a un compito al tempo stesso semplice e complesso. Naturalmente, è necessario selezionarne uno con la tensione e la corrente di uscita appropriate, nonché con il corretto intervallo di tensione di ingresso. Questa è senza dubbio la parte più semplice.
Ma bisogna considerare anche altri aspetti. Quale topologia di distribuzione dell'alimentazione si intende utilizzare? Quali sono le opzioni termiche e di montaggio/posizionamento per l'alimentatore?
Non tratteremo le topologie interne dei convertitori AC/DC. Esistono metodi di progettazione ben noti, ma per l'utente la sorgente deve essere considerata una "scatola nera" con le sue caratteristiche di ingresso, uscita e prestazioni.
Topologia di distribuzione:
Se tutto ciò di cui hai bisogno è un alimentatore CC a singola linea per alimentare un singolo circuito stampato dalla sorgente CA, la situazione è relativamente semplice. Ad esempio, potresti dover fornire 12 V CC a 20 A (240 W nominali) a una scheda di medie dimensioni e qualsiasi ulteriore fabbisogno di potenza viene gestito localmente sulla scheda. Considerati fortunato e passa agli aspetti termici.
Tuttavia, molte applicazioni richiedono quella singola tensione su due o più schede, o tensioni (e correnti, naturalmente) diverse. A questo punto, puoi scegliere tra un unico alimentatore di grandi dimensioni o diversi alimentatori più piccoli, come mostrato in Figura 1.
Molte applicazioni utilizzano la tecnica di alimentazione distribuita multistadio, in cui la sorgente CA/CC alimenta uno o più convertitori di bus intermedi (IBC), che a loro volta trasformano la tensione CC proveniente dalla sorgente CA/CC in tensioni CC inferiori. Ad esempio, ciascun IBC potrebbe ricevere 48 V CC e fornire 12 V CC, 5 V CC, 3 V CC e altre tensioni richieste dal circuito, come mostrato in Figura 2.
Se il sistema utilizza IBC, la scelta del tipo di convertitore AC/DC necessario risulta ulteriormente semplificata. Nella maggior parte dei progetti, è presente un'unica tensione di bus intermedia, ad esempio 48 VDC o 12 VDC (alcuni sistemi più complessi utilizzano più linee di alimentazione IBC). Pertanto, è possibile concentrare gli sforzi sulla ricerca di una o più sorgenti AC/DC in grado di fornire la/le tensione/e intermedia/i desiderata/e con una corrente sufficiente.
L'efficienza è di gran moda, e a ragione.
L'efficienza è in forte espansione, e non solo perché suona politicamente corretto o virtuoso. L'efficienza e la dissipazione del calore nel carico hanno un impatto significativo sulla progettazione e sul posizionamento, nonché sui costi operativi e del ciclo di vita.
Diverse normative richiedono valori minimi di efficienza energetica per le fonti, il cui valore specifico dipende dalla potenza nominale della fonte stessa. La buona notizia è che quasi tutte le fonti fornite da produttori accreditati soddisfano questi standard. Tuttavia, è fondamentale assicurarsi che la fonte sia certificata per i paesi in cui il suo prodotto verrà utilizzato, poiché gli standard non sono completamente armonizzati.
Poiché quasi tutti gli alimentatori AC/DC hanno un'efficienza compresa tra l'85 e il 95%, perché prestare attenzione al valore esatto? Dopotutto, gli alimentatori switching disponibili oggi rappresentano un notevole miglioramento rispetto all'efficienza del 50-60% dei vecchi alimentatori lineari (non switching).
Ecco perché: anche pochi punti percentuali possono fare una grande differenza in tre modi. Prendiamo l'esempio di un casinò con centinaia di slot machine:
• Innanzitutto, è necessario fornire l'energia aggiuntiva, il che aumenta il costo complessivo.
• In secondo luogo, il calore generato dagli alimentatori deve essere dissipato; anche questo fa aumentare i costi.
• Infine, il calore è il nemico giurato dei componenti elettronici e anche pochi gradi di temperatura possono ridurre significativamente la durata di un alimentatore, rendendone necessaria la sostituzione, con conseguenti costi di manodopera e un prodotto che non genera ricavi per diverse ore o anche più a lungo.
Si noti che un alimentatore progettato e costruito correttamente, operante entro le specifiche, ha un tempo medio tra i guasti (MTTF) di diverse centinaia di migliaia di ore. Tuttavia, un aumento di 10 °C può dimezzare l'MTTF.
Quindi cosa dovresti fare? Scegli l'alimentatore più efficiente che si adatti al budget della distinta base, considerando anche i costi operativi e del ciclo di vita. Presta però attenzione ai livelli di efficienza, poiché non sono costanti su tutta la gamma di carico. La maggior parte dei fornitori fornisce un grafico efficienza-carico che mostra le prestazioni dell'alimentatore da un carico ridotto (circa il 10%) al carico massimo. Gli alimentatori in genere raggiungono un picco di efficienza intorno all'85-95% della loro corrente nominale massima, come mostrato nella Figura 3.
Determinare la posizione del prodotto sulla curva di carico, nonché il suo ciclo di lavoro, è fondamentale per stabilire l'efficienza necessaria e i vantaggi in termini di costi derivanti da un'efficienza maggiore. Un alimentatore che opera principalmente a carichi medi (50%) con un'efficienza dell'85%, e solo occasionalmente vicino al carico massimo (90%) ma con un'efficienza molto più elevata del 95%, avrebbe un costo molto diverso rispetto a uno leggermente meno efficiente (ad esempio, con un'efficienza del 93%) al 90% di carico, ma che opera a questo livello per la maggior parte del tempo. Il costo iniziale potrebbe non essere giustificato, o addirittura inutile, a seconda delle modalità operative del prodotto.
Allo stesso modo, non sovradimensionare l'alimentatore per ottenere maggiore efficienza e una durata maggiore. Ad esempio, se hai bisogno di un alimentatore da 400 W, dovresti cercarne uno con una potenza nominale di circa 500 W. Potresti anche optare per un alimentatore da 1000 W, che avrebbe sicuramente una capacità superiore a quella necessaria. Tuttavia, sarebbe meno efficiente di quello da 500 W, costerebbe di più e i costi di gestione sarebbero maggiori.
Dove posizionare l'alimentatore?
La posizione e l'orientamento dell'alimentatore sono fattori importanti per il successo. Alcuni alimentatori sono progettati e specificati esclusivamente per il raffreddamento a convezione senza flusso d'aria forzato; altri utilizzano il raffreddamento ad aria forzata (di solito tramite una ventola, ma in alcuni casi vengono utilizzate anche unità di raffreddamento). Altre tecniche di raffreddamento passivo includono dissipatori di calore, heat pipe e piastre di raffreddamento; tutte queste soluzioni aumentano i costi e la complessità del progetto.
In generale, il raffreddamento ad aria forzata consente una progettazione dell'alimentatore meno costosa, ma è necessario considerare anche il costo e l'affidabilità della ventola. Il fornitore dell'alimentatore specificherà la portata d'aria in piedi cubi al minuto (CFM) e la temperatura alla quale l'alimentatore deve funzionare.
Sia che si utilizzi un sistema di raffreddamento passivo o attivo, è fondamentale considerare anche la posizione e l'orientamento dell'alimentatore. La maggior parte degli alimentatori ha un orientamento specifico e modificarlo comporterebbe un flusso d'aria insufficiente verso i componenti che generano calore e quelli adiacenti. In caso di dubbi sul montaggio e sul suo impatto sulle prestazioni dell'alimentatore, è consigliabile contattare il fornitore per ottenere informazioni più dettagliate.
La verità è che gli alimentatori sono spesso collocati in un luogo con ampio spazio, circondati da numerosi dispositivi e frequentemente in prossimità di altri componenti che generano calore, come circuiti stampati contenenti processori o motori. La temperatura ambiente può essere molto più elevata del previsto, ed è questo che conta. Pertanto, è fondamentale capire dove il calore viene dissipato nel sistema, oltre all'alimentatore stesso, e come si propaga. Questo aspetto potrebbe dover essere considerato nella strategia di raffreddamento o nella valutazione delle specifiche dell'alimentatore.
Ora, passiamo alle specifiche elettriche.
Una volta analizzati gli altri aspetti, puoi concentrarti sulle specifiche elettriche. Inizia, naturalmente, dalla sezione CA del convertitore CA/CC e chiedi subito informazioni sulla tensione e sulla potenza nominale della rete CA.
La vostra rete elettrica sarà solo a 120 V CA, solo a 220 V CA, oppure avete bisogno di un singolo alimentatore in grado di gestire entrambe le tensioni? In genere, l'alimentatore è meno costoso quando funziona con un'unica gamma di tensione CA, ma la differenza è piuttosto piccola per la maggior parte degli alimentatori. Alcuni fornitori non offrono nemmeno unità per una singola gamma di tensione perché progettare, certificare e fornire due alimentatori simili rappresenta una sfida logistica non indifferente.
La questione principale riguarda la tolleranza di linea richiesta. Maggiore è la tolleranza rispetto al valore nominale (5%, 10% o più), maggiori saranno le difficoltà che l'alimentatore dovrà affrontare, soprattutto quando è richiesto di erogare il valore di uscita massimo con la tensione di linea minima; si noti che un alimentatore può essere specificato per l'intero intervallo da 90 a 264 V CA. Inoltre, le conseguenti fluttuazioni della tensione di linea rendono difficile per l'alimentatore mantenere la sua uscita regolata, anche se il carico rimane costante.
Come per la maggior parte dei progetti ingegneristici, questi casi operativi "estremi" sono quelli che richiedono uno studio accurato delle schede tecniche del fornitore e la verifica che le specifiche massime/minime vengano mantenute anche nelle condizioni più sfavorevoli o solo nei valori nominali.
Per quanto riguarda la parte in corrente continua (CC), verificate la tensione o le tensioni richieste e la corrente nominale corrispondente. Non c'è molto da dire al riguardo: l'alimentatore è specificato come in grado di fornire quanto necessario oppure no. Controllate che la regolazione della tensione di uscita dell'alimentatore soddisfi i vostri requisiti; questo si riferisce alla sua capacità di mantenere la tensione di uscita nominale entro una certa tolleranza, nonostante le variazioni della corrente erogata.
La maggior parte dei fornitori offre morsetti a vite per l'uscita CC, ma sono disponibili anche connettori standard. I morsetti a vite riducono il costo dei cavi di interconnessione, ma richiedono più lavoro durante l'assemblaggio finale del prodotto e sono soggetti a potenziali errori di cablaggio.
Altre caratteristiche da verificare riguardano la conformità normativa. Le più importanti concerneranno l'efficienza; la correzione del fattore di potenza (PFC) (quanto varia la corrente di linea in funzione della tensione); le questioni di sicurezza come l'isolamento e le modalità di guasto; la direttiva RoHS (riduzione delle sostanze pericolose); e le interferenze elettromagnetiche (EMI). Verificare che il fornitore soddisfi gli standard e le certificazioni applicabili, come avviene per quasi tutti (vedere la Figura 4 per una tabella che elenca i requisiti di conformità di un fornitore rappresentativo, la serie N2Power XL375).
Se così non fosse, rivolgetevi a un altro fornitore, poiché c'è ben poco che possiate o non dobbiate fare se l'alimentatore non soddisfa nessuno di questi requisiti. Anche se foste in grado di intervenire, non ci sarebbe modo di certificare la riparazione, quindi lo sforzo ingegneristico sarebbe vano.
Quasi tutti gli alimentatori, come la serie N2Power XL375 (Figura 5), integrano funzioni di protezione standard quali la protezione da sovratensione (OVP), la limitazione della corrente di uscita e lo spegnimento (in caso di cortocircuito totale), nonché lo spegnimento termico. Questo alimentatore offre lo spegnimento su comando, in caso di interruzione dell'alimentazione in ingresso o ogniqualvolta vengano rilevati carichi o temperature eccessivi, e avvisa il sistema host dell'imminente spegnimento, consentendogli di eseguire operazioni preparatorie di gestione interne prima dell'interruzione dell'alimentazione.
Infine, verificate la capacità dell'alimentatore di gestire i transienti di rete. Tutti gli alimentatori sono in grado di gestirli in una certa misura; esiste, ovviamente, una forma d'onda di prova per i transienti secondo lo standard IEC. Tuttavia, la vostra applicazione potrebbe essere esposta a transienti di entità molto maggiore a causa di carichi indesiderati nelle vicinanze (relè, motori), illuminazione e altri fattori. Potreste voler aggiungere un'ulteriore protezione dai transienti utilizzando un componente passivo a basso costo sulla connessione alla rete CA, prima dell'ingresso dell'alimentatore.
In conclusione
, gli attuali alimentatori AC/DC si distinguono per efficienza, compattezza, versatilità e robustezza, e integrano inoltre complesse strategie di controllo, algoritmi e meccanismi di protezione. Allo stesso tempo, soddisfano un'ampia gamma di standard di prestazioni e sicurezza. Innanzitutto, è necessario stabilire di quali alimentatori si ha bisogno e a che punto, sia dal punto di vista funzionale che fisico, si è pronti per il passo successivo, ovvero trovare un fornitore dei modelli specifici che soddisfino le proprie esigenze e i propri obiettivi di budget.
Autore:
Don Knowles, Vicepresidente dell'ingegneria, N2Power
