При выборе источника питания переменного/постоянного тока для вашего проекта перед вами встает одновременно простая и сложная задача. Естественно, необходимо выбрать источник с соответствующими номинальными значениями выходного напряжения и тока, а также правильным диапазоном входного напряжения. Это, безусловно, самая простая часть.
Но необходимо решить и другие вопросы. Какую распределенную топологию питания вы будете использовать? Каковы варианты теплоотвода и монтажа/расположения источника питания?
Мы не будем обсуждать внутреннюю топологию преобразователей переменного/постоянного тока. Существуют хорошо известные методы проектирования, но для пользователя источник следует рассматривать как «черный ящик» со своими входными, выходными и рабочими характеристиками.
Схема распределения:
Если вам нужен только одноканальный источник постоянного тока для питания одной печатной платы от сети переменного тока, ситуация относительно проста. Например, вам может потребоваться подать 12 В постоянного тока при токе 20 А (номинальная мощность 240 Вт) на плату среднего размера, а любые дополнительные потребности в питании обрабатываются локально на плате. Считайте себя счастливчиком и переходите к тепловым аспектам. Однако во
многих приложениях требуется одно напряжение на двух или более платах, или разные напряжения (и токи, естественно). В этом случае вы можете выбрать между одним большим источником питания или несколькими меньшими, как показано на рисунке 1.
Во многих приложениях используется многоступенчатая распределенная система питания, в которой источник переменного/постоянного тока подает напряжение на один или несколько промежуточных преобразователей шины (IBC), которые, в свою очередь, преобразуют постоянное напряжение от источника переменного/постоянного тока в низковольтные шины постоянного тока. Например, каждый IBC может принимать 48 В постоянного тока и подавать 12 В постоянного тока, 5 В постоянного тока, 3 В постоянного тока и другие напряжения, необходимые для работы схемы, как показано на рисунке 2.
Если в системе используется IBC, выбор типа необходимого преобразователя переменного/постоянного тока снова упрощается. В большинстве схем имеется одно промежуточное напряжение шины, например, 48 В постоянного тока или 12 В постоянного тока (в некоторых более сложных системах используются несколько линий питания IBC). Поэтому вы можете сосредоточить свои усилия на поиске одного или нескольких источников переменного/постоянного тока для обеспечения необходимого промежуточного напряжения (или напряжений) с достаточным током.
Эффективность сейчас в моде, и это неспроста.
Ее популярность стремительно растет, и не только потому, что это звучит политкорректно или благочестиво. Эффективность и теплоотвод в энергонагрузке оказывают существенное влияние на проектирование и размещение, а также на эксплуатационные расходы и затраты на протяжении всего жизненного цикла.
Ряд нормативных стандартов устанавливает минимальные значения эффективности источника, конкретное значение которых зависит от номинальной мощности источника. Хорошая новость заключается в том, что почти все источники от аккредитованных поставщиков соответствуют этим стандартам. Однако крайне важно убедиться, что источник сертифицирован для стран, где он будет использоваться, поскольку стандарты не полностью гармонизированы.
Поскольку почти все источники питания переменного/постоянного тока имеют КПД около 85–95%, зачем обращать внимание на точную цифру? В конце концов, современные импульсные источники питания представляют собой значительное улучшение по сравнению с КПД более старых линейных (неимпульсных) источников питания, составлявшим 50–60%.
Вот почему: даже несколько процентных пунктов могут существенно повлиять на результат тремя способами. Возьмем, к примеру, казино с сотнями игровых автоматов:
• Во-первых, необходимо обеспечить дополнительную энергию, что увеличивает общую стоимость.
• Во-вторых, необходимо отводить тепло, выделяемое блоками питания; это также увеличивает стоимость.
• Наконец, тепло губительно для электроники, и даже несколько градусов повышения температуры могут значительно сократить срок службы блока питания, что приведет к его замене, затратам на оплату труда и к тому, что продукт не будет приносить доход в течение нескольких часов или гораздо дольше.
Следует отметить, что правильно спроектированный и изготовленный источник питания, работающий в соответствии со спецификациями, имеет среднее время безотказной работы (MTTF) в несколько сотен тысяч часов. Однако повышение температуры на 10°C может сократить MTTF вдвое.
Итак, что же следует делать? Выберите наиболее эффективный блок питания, соответствующий вашему бюджету на комплектующие, а также учтите эксплуатационные расходы и стоимость жизненного цикла. Но обратите внимание на уровни эффективности, поскольку они не остаются постоянными во всем диапазоне нагрузок. Большинство поставщиков предоставляют график зависимости эффективности от нагрузки, который показывает производительность блока питания от небольшой нагрузки — около 10% — до максимальной нагрузки. Блоки питания обычно имеют пиковую эффективность около 85–95% от максимального номинального тока, как показано на рисунке 3.
Определите, где находится ваш продукт на кривой нагрузки, а также его рабочий цикл, чтобы решить вопрос о необходимой эффективности и экономической выгоде от повышения эффективности. Источник питания, который в основном работает при средних нагрузках (50%) с эффективностью 85%, и лишь изредка при нагрузке, близкой к максимальной (90%), но с гораздо более высокой эффективностью в 95%, будет иметь совершенно другую стоимость, чем тот, который немного менее эффективен (например, 93%) при 90% нагрузке, но работает на этом уровне большую часть времени. Первоначальные затраты могут быть неоправданными или даже бессмысленными, в зависимости от режимов работы вашего продукта.
Аналогично, не стоит завышать мощность блока питания ради повышения эффективности и увеличения срока службы. Например, если вам нужен блок питания мощностью 400 Вт, лучше поискать модель с номинальной мощностью около 500 Вт. Можно также приобрести блок питания мощностью 1000 Вт, что, безусловно, будет больше необходимой мощности. Однако он будет менее эффективным, чем блок питания на 500 Вт, вам придется заплатить больше за него, и ваши эксплуатационные расходы будут выше.
Где разместить блок питания?
Расположение и ориентация блока питания являются важными факторами успеха. Некоторые блоки питания спроектированы и рассчитаны исключительно на конвекционное охлаждение без принудительной циркуляции воздуха; другие используют активное охлаждение с помощью воздушного потока (обычно с помощью вентилятора, но в некоторых случаях используются и охлаждающие устройства). Другие пассивные методы охлаждения включают радиаторы, тепловые трубки и охлаждающие пластины; все они увеличивают стоимость и сложность конструкции.
В целом, принудительное воздушное охлаждение позволяет снизить стоимость конструкции блока питания, но при этом необходимо учитывать стоимость и надежность вентилятора. Поставщик блока питания укажет расход воздуха в кубических футах в минуту (CFM) и рабочую температуру блока питания.
Независимо от того, используете ли вы пассивное или активное охлаждение, необходимо также учитывать расположение и ориентацию блока питания. Большинство блоков питания имеют определенную ориентацию, и изменение ее приведет к недостаточному притоку воздуха к компонентам, выделяющим тепло, и соседним компонентам. Если у вас есть вопросы по поводу монтажа и его влияния на производительность блока питания, вам следует тесно сотрудничать с поставщиком для получения более подробной информации.
Правда заключается в том, что блоки питания часто размещаются в просторном месте, в окружении множества устройств и зачастую рядом с другими компонентами, выделяющими тепло, такими как печатные платы с процессорами или двигателями. Температура окружающей среды может быть намного выше, чем ожидалось, и это имеет значение. Поэтому крайне важно понимать, где именно в системе, помимо самого блока питания, рассеивается тепло и как оно туда попадает. Это может потребоваться учесть при разработке стратегии охлаждения или при оценке технических характеристик блока питания.
Теперь перейдем к электрическим характеристикам.
После анализа остальных аспектов можно сосредоточиться на электрических характеристиках. Естественно, начнём с части, отвечающей за переменный ток в преобразователе переменного тока в постоянный, и сразу же уточним номинальные параметры и напряжение сети переменного тока.
Ваша сеть переменного тока будет только 120 В, только 220 В или вам нужно использовать один блок питания для обоих диапазонов напряжений? Как правило, блок питания стоит дешевле, если он работает в одном диапазоне напряжений переменного тока, но для большинства блоков питания разница довольно невелика. Некоторые поставщики даже не предлагают блоки питания для одного диапазона напряжений, поскольку разработка, сертификация и поставка двух одинаковых блоков питания представляют собой значительную логистическую проблему.
Главный вопрос — требуемый допуск по напряжению сети. Чем больше допуск относительно номинального значения — 5%, 10% или более — тем больше трудностей возникнет у источника питания, особенно когда требуется обеспечить максимальное выходное значение при минимальном напряжении сети; следует отметить, что источник питания может быть рассчитан на весь диапазон от 90 до 264 В переменного тока. Кроме того, возникающие колебания напряжения сети затрудняют поддержание регулируемого выходного напряжения источником питания, даже при постоянной нагрузке.
Как и в большинстве инженерных разработок, именно в таких «экстремальных» режимах работы необходимо тщательно изучить технические характеристики, предоставленные поставщиком, и убедиться, что максимальные/минимальные значения сохраняются в наиболее неблагоприятных условиях или только в номинальных значениях.
Что касается постоянного тока, найдите требуемое напряжение (или напряжения) и соответствующий номинальный ток (или токи). Тут особо нечего сказать; либо блок питания заявлен как способный обеспечить необходимое напряжение, либо нет. Проверьте, соответствует ли выходная мощность блока питания вашим требованиям; это означает его способность поддерживать номинальную выходную мощность в пределах определенного допуска, несмотря на колебания тока, подаваемого блоком питания.
Большинство поставщиков предлагают винтовые клеммы для выхода постоянного тока, но разъемы также доступны в стандартной комплектации. Винтовые клеммы снижают стоимость соединительных кабелей, но требуют больше работы при окончательной сборке изделия и подвержены потенциальным ошибкам при монтаже проводки.
Другие характеристики, которые необходимо проверить, связаны с соответствием нормативным требованиям. Наиболее важные из них касаются эффективности; коррекции коэффициента мощности (PFC) (насколько изменяется линейный ток в зависимости от напряжения); вопросов безопасности, таких как изоляция и режимы отказов; директивы RoHS (снижение содержания опасных веществ); и электромагнитных помех (EMI). Убедитесь, что поставщик соответствует применимым стандартам и сертификатам, поскольку почти все они это делают (см. рисунок 4, где приведена таблица с требованиями к соответствию для типичного поставщика, серии N2Power XL375).
Если это не так, обратитесь к другому поставщику, поскольку, если блок питания не соответствует ни одному из этих требований, вы вряд ли сможете что-либо предпринять. Даже если бы вы смогли что-то сделать, нет способа сертифицировать ремонт, поэтому инженерные усилия будут потрачены впустую.
Практически все блоки питания, такие как серия N2Power XL375 (рис. 5), включают в себя стандартные функции защиты, такие как защита от перенапряжения (OVP), ограничение выходного тока и отключение (полное короткое замыкание), а также тепловое отключение. Этот блок питания обеспечивает отключение по команде, при потере входного питания или при обнаружении чрезмерной нагрузки или температуры, а также предупреждает хост-систему о надвигающемся отключении, позволяя ей выполнить внутренние подготовительные операции управления до отключения питания.
Наконец, проверьте способность блока питания справляться с переходными процессами в сети. Все блоки питания в той или иной степени способны с этим справиться; конечно, существует тестовая форма сигнала IEC для проверки переходных процессов. Но в вашем приложении могут наблюдаться гораздо более сильные переходные процессы из-за расположенных поблизости помех (реле, двигатели), освещения и других факторов. Возможно, вам потребуется дополнительная защита от переходных процессов, используя недорогой пассивный компонент на входе блока питания от сети переменного тока.
В заключение
, современные источники питания переменного/постоянного тока отличаются эффективностью, компактностью, универсальностью и надежностью, а также включают в себя сложные стратегии управления, алгоритмы и механизмы защиты. В то же время они соответствуют широкому спектру стандартов производительности и безопасности. Прежде всего, определитесь, какие источники питания вам нужны и на каком этапе — функциональном и физическом — вы готовы сделать следующий шаг, который включает в себя поиск поставщика конкретных моделей, отвечающих вашим потребностям и ценовым целям.
Автор:
Дон Ноулз, вице-президент по техническим вопросам компании N2Power
