Импулсни захранвания „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Импулсните захранвания на практика изместиха от пазара традиционните линейни захранвания и в момента те са най-популярната и най-голямата група захранвания. Техни предимства в сравнение с линейните захранвания са малките размери, ниското тегло, високата ефективност и производителността, както и добрата цена. Недостатък са сложността на структурата, както и много по-високото ниво на смущения, генерирани от захранването и повишеното ниво на смущения на изхода.

Основен принцип на действие на импулсното захранване 

В импулсните захранвания се използва широчинно импулсна модулация PWM (Pulse Width Modulation), т.е. изходното напрежение се регулира с помощта на промяна на коефициента на запълване при постоянна, непроменена честота.

Скъсяването на продължителността на импулса (t1) води до намаляване на средната стойност на изходното напрежение (U_out) и обратно: удължаването на продължителността на импулса (t1) води до увеличаване на средната стойност на изходното напрежение (U_out). Това може да се види на графиките по-горе:

Средната стойност на изходното напрежение може лесно да се изчисли по следната формула:

Променливото мрежово напрежение, например 230 V (1) преминава през входен LC филтър (3). Това е важен елемент, който предпазва електрическата мрежа срещу смущения, възникнали в захранването и предпазва захранването срещу смущения, идващи от електрическата мрежа. Променливото напрежение се преобразува в право с помощта на изправителен мост (4) и след изправянето, като постоянно напрежение достига до трансформатора (8), който е превключван от транзистор (5), понякога наричан ключ.Транзисторът включва и изключва тока с правоъгълна форма с определена честота (възможна в диапазона от 20 kHz до няколко стотин kHz и дори MHz), използвайки широчинно импулсна модулация PWM. Транзисторът се контролира с помощта на верига за обратна връзка (6, 7), която се състои от оптичен изолатор и PWM контролер. Системата проверява какво е изходното напрежение и в зависимост от това дали се увеличава или намалява, тя променя широчината на импулса (запълване), управлявайки чрез транзистора и регулирайки го по такъв начин, че на изхода винаги да има постоянно напрежение. Тази система, при проверка на изходното напрежение, действа с висока скорост, което позволява поддържане на постоянно изходното напрежение и като започва да се увеличава или намалява незабавно коригиране на промените, за да го запази на същото ниво. Правоъгълното напрежение на изхода на трансформатора (8) е изправяно (9) и след това преминава през изходния филтър (10), който трябва да "заключи" висшите хармоници и смущения, генерирани от работата на преобразувателя. На изхода (11) на импулсното захранване получаваме постоянно напрежение.

Някои предложения за това, на какви параметри трябва да обърнем внимание при избора на импулсно захранване. 

Входно напрежение (Input Voltage) 

В Полша и в Европейския съюз напрежението в електрическата мрежа е 230 V AC (изключение е Великобритания - 240 V AC). Стандартите позволяват отклонение от 10%, т.е. захранващото напрежение може да варира от 207 V до 253 V AC. Така, че нека изберем захранване с широк диапазон на входното напрежение, например. 100-264 V AC.

Пусковия ток (Max Inrush Current) 

След включване на захранването се появява голям токов импулс, който може да достигне високи стойности в зависимост от мощността на захранването, от порядъка на няколко десетки ампера, продължаващи до 1 период или при честота от 50 Hz AC до 20 милисекунди. Това явление се дължи на зареждането на входните кондензатори. Това може да създаде проблем, напр. при едновременно включване на няколко захранвания или използването на захранване с по-висока мощност. Големият пусков ток може да предизвика задействане на защитите на електрическата мрежа (предпазители, автоматични прекъсвачи и т.н.). Изходът от тази ситуация е да се замят с автоматични предпазители с друг клас - C или D.

Коефициент на полезно действие /КПД/ (Efficiency) 

Това е съотношението на изходната мощност на постоянния ток (предадена от захранването) към входната мощност при променлив ток (взета от електрическата мрежа), изразено като процент.

Ефективността се обозначава с буквата от гръцката азбука, "ета": η. Във всяко устройство за обработка на енергия част от консумираната мощност се губи и затова ефективността позволява оценка на загубите на мощност. Трябва да се обърне внимание на този параметър, защото колкото по-висока ефективност, толкова по-малко енергия се губи, което води до по-ниска температура във вътрешността на захранването и следователно до повишаване на надеждността и удължаване на живота на устройството. Към момента произвежданите захранващи устройства постигат ефективност > 90% (линейни трансформаторни захранвания имат ниска енергийна ефективност, която не надвишава 50%).

Пример 1.
Имаме захранване с изходна мощност от 100 W, което потребява от електрическата мрежа 117,6 W. Нека изчислим неговата ефективност.

В повечето случаи техническата спецификация на захранването включва изходна мощност и ефективност. Производителите не уточняват в спецификацията, колко енергия се консумира от захранването. Ние лесно можем да изчислим това, замествайки стойностите в преобразуваната формула.

Пример 2.
Имаме захранващо устройство с изходна мощност от 150 W и ефективност 86%. Нека да изчислим колко мощност е потребена от електрическата мрежа.

Също така лесно можем да изчислим колко мощност се губи под формата на топлина в това захранване (P_d – загуби на мощност), използвайки една проста формула (от входната мощност /приета/ се изважда изходната мощност /предадена/ ).

В този случай 24.4 W се губи под формата на топлина, разбира се, при пълно натоварване. Тези 24.4 W повишават температурата вътре в корпуса и нагряват вътрешните компоненти.

MTBF - средно време между авариите (Mean Time Between Failure) 

То се изразява в часове и това е информацията за надеждността на устройството.

Много често, този параметър се тълкува погрешно. Например, на MTBF захранването е 700 000 часа, т.е. близо 80 години. Това не означава, че захранването ще работи безотказно през цялото това време.

Начините и методите за изчисляване на MTBF са въведени от американската армия през 1965 г. заедно с публикуването на MIL-HDBK-217 модел. Той съдържа честотата на произшествията за различни електронни компоненти, например кондензатори, резистори, транзистори. В този модел бяха публикувани методи за изчисляване на степента на неуспех. Това беше насочено към стандартизиране на методите за оценка на надеждността на електронните устройства и военното оборудване.

Освен MIL-HDBK-217 217 моделът, също се използват и други начини за изчисляване на MTBF параметъра, който можем да намерим в спецификациите на електронните устройства. Всички модели имат различни алгоритми за изчисляване на надеждността. Примерни методи: HRD5, Telcordia, RBD, модел на Марков, FMEA / FMECA, дърво на повредите, HALT.

Знаейки времето MTBF, можем да изчислим вероятността от увреждане на устройството преди изтичането на MTBF. Това е много полезна информация, която дава възможност за оценка на степента на отказ на системата. Като цяло, принципът е прост: колкото по голямо MTBF, толкова по-надеждно е устройството.

Нека помним, че винаги MTBF означава времето, след изтичането на което надеждността на устройството пада до 36,8%. 

Словом: 2,718 повдигнато на отрицателна степен на рабоното време, разделено на MTBF.

Нека да изчислим отказите на устройството, за което MTBF е в размер на 50 000 часа след изтичане на време от 50 000 часа.

Така, устройството с MTBF = 50 000 часа има надеждността на 36,8% след изтичане на 50 000 часа. С други думи, след период от 50 000 часа съществува вероятност, че на 100 устройства ~ 37 ще бъдат ефективни а 63 ще бъдат подложени на провал /авария/.

Нека да проверим вероятността за авария в рамките на 3 години за напр. две захранващи устройства с различно MTBF.

1. MTBF = 50 000 часа, 3 години = 3 години x 24 часа x 365 дни = 26 280 часа и заместваме във формулата:

Този резултат показва вероятността, че след 3 години, 59,1% от захранващите устройства ще работят безотказно (напр. на 100 устройства ~ 59 ще бъдат ефективни и 41 ще аварират).

2. MTBF = 700 000 часа, 3 години = 3 години x 24 часа x 365 дни = 26 280 часа и заместваме във формулата:

Този случай показва вероятността, че след 3 години, 97,1% от захранващите устройства ще работят безотказно (напр. на 100 устройства ~ 97 ще бъдат ефективни, и 3 ще аварират).

В повечето случаи MTBF параметърът е посочван от производителя относно експлоатацията на устройството при околна температура от 25 ° C. В случай на работа при по-високи температури, важи правилото, че повишаването на температурата с 10°C, ще доведе до двукратно намаляване на MTBF стойността. Защо някои устройства имат високо, а други ниско MTBF? Разликите са резултат от качеството на използваните елементи и степента на сложност на устройството. Не всички производители включват този параметър в техническите спецификации.

Изходно напрежение (Output Voltage) 

Изходното напрежение е напрежение, което трябва да бъде стабилизирано, когато има промени в натоварването на захранването от 0 до 100%. Трябва да се осъзнае, че във всички захранвания върху изходното постоянно напрежение се наслагват шумове, пулсации и смущения. Те могат да имат амплитуда до няколко стотици mVp-p. Понякога твърде голямата стойност на пулсациите на изходното напрежение може да доведе до проблеми, ако захранваното устройство е податливо на пулсации, например смущения в изображението от камерата в приложенията за видеонаблюдение или честите рестартирания, на което и да е електронно устройство.

По-долу е представена снимка на осцилограма на пулсации на напрежението на импулсно захранване 12 V.

Динамичен отговор на резки промени на натоварването (Dynamic Response) 

Всяко захранване трябва да осигури на товара изходно напрежение с постоянна стойност, което не се променя с промяната на тока на натоварването. Въпреки това, понякога има резки промени в натоварване (например включване/ изключване на инфрачервен осветител в CCTV камера или включване/ изключване на допълнително натоварване). С промяната в натоварване от 0 до 100% (или обратното) се появяват смущения и колебания на изходното напрежение, които могат да се отразят на работата на други устройства, свързани към захранването.

Повечето от импулсните захранвания са оборудвани със системи за защита на изхода от късо съединение и претоварвание. Тъй като се използват различни начини на защита е необходимо да се избере подходящо захранване спрямо вида на товара. Двигатели, електрически крушки, натоварваня с висок капацитет, индуктивност и т.н., т.е. така наречените натоварвания с нелинейни характеристики, могат да се нуждаят от голям токов импулс на старта, който значително надвишава максимално допустимия ток на захранването. Това може да доведе до задействане на защитите и да попречи включването на захранването. Може да се окаже на практика, че захранването, напр. 12 V, 50 W, няма да бъде в състояние да се стартира след включване на товара от 12 V 30 W (напр. крушка, мотор).

Конструкторите на захранвания използват различни методи за защита срещу късо съединение и претоварване. Защитите трябва да предпазват захранването и товара. Най-често срещаните са разгледани по-долу.

Режим Hiccup (Hiccup mode) 

Това е защита използвана много често (на английски hiccup – хълцане), предимството, на която са малките загуби на мощност в захранването в случай на претоварване или късо съединение и автоматично връщане към нормална работа след като причина за късо съединение или претоварване престава да съществува.

По време A се случва претоварване или късо съединение. Настъпва изключване на захранването. На изхода се появява токов импулс с много кратка продължителност (напр. 100 милисекунди) и стойността до 150% от максималния ток. Захранването изпраща този импулс на всеки няколко секунди, чак до прекратяване на причината за претоварване или късо съединение (B), като след това преминава към нормален режим на работа. Прагът на задействане на тази защита (изключване на захранването) се поставя в повечето случаи на 110-150% от номиналния ток (I_out). Най-често този режим е интегриран с термична защита. Ако товарът взима по-голям ток от номиналния ток, но по-малък от прага на задействане на защитата, тогава след кратко време, термичната защита се включва, изключвайки захранването и захранването преминава в режим на hiccup, чак момента на прекратяване на причината за претоварване.

Крива A – ограничаване на тока (Foldback Current Limiting)
Този вид защита се прилага и в линейни захранвания. След превишаване на максималния ток (намаляване съпротивлението на товара) следва неговата редукция (намаление). С други думи, ако съпротивлението на товара намалява, тогава настъпва и намаляване на тока. Предимството на това решение са ниски загуби на мощност в захранвания в случай на претоварване или късо съединение. Обаче при такова решение, захранването няма да стартира при натоварване с висок пусков ток (например голям капацитет).

Крива B – стабилизиране на тока (Constant Current Limiting)
След превишаване на максималния ток (намаляване съпротивлението на товара) захранването поддържа постоянен изходен ток независимо от стойността на претоварване, докато изходното напрежение намалява. Често се използва втора защита, която изключва захранването, когато напрежението падне до няколко волта. Големият недостатък на този метод са големите загуби на мощност в захранването и големият ток протичащ през товара, който може да доведе до повреди. Този вид защита позволява стартиране на захранването при товари с нелинейна характеристика.

Крива C – ограничаване на мощността (Over Power Limiting)
След превишаване на максималния ток (намаляване съпротивлението на товара) изходната мощност на захранването остава постоянна. Заедно с нарастването на натоварването, напрежението и изходният ток намаляват в съответствие с характеристиката C. Този вид защита позволява стартиране на захранването при товари с нелинейна характеристика.

Работна температура (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

В зависимост от ефективността на захранващото устройство, част от доставената енергия към захранването се губи под формата на топлина, температурата във вътрешността на захранването се повишава по отношение външната температура. Висококачествените захранвания, работещи при температура 25°C, могат да се нагряват до 50–70°C. При околна температура от 50°C могат да се нагряват до 75–95°C.

Важно е да се осъзнае, че работната температура оказва пряко влияние върху живота и надеждността на устройството. Импулсните захранвания имат сложна конструкция и се състоят от голям брой електронни компоненти, които могат да бъдат подредени близко един до друг вътре в корпуса на захранването. Твърде високата вътрешна температура може да доведе до увреждане на захранването и значително да съкрати живота му. Моля, имайте предвид, че съществува силна зависимост на изходната мощност от температурата. Важно е да се избягва експлоатацията на захранването при температури по-високи от 50°С, въпреки, че производителите често посочват работна температура над тази стойност. В такъв случай трябва внимателно да прочетете техническата документация.

Както е показано на графиката, захранването може да достави пълна мощност за натоварването, но само до температура от 50°C. Когато се работи при температура 70°С, устройството може да бъде натоварено в 50%, т.е. на половината от максималния ток.

Към повишаване на температурата най-чувствителните елементи са електролитните кондензатори. На практика всяко захранване съдържа няколко такива единици. Производителите на кондензатори дават важен параметър, т.е. времето на живот при максималната работна температура. Понижаването на температурата с 10°C води до двукратно повишаване на живота на електролитния кондензатор. Например, стандартните електролитни кондензатори имат живот 1 000 часа при температура 105°C.

Така че:

Тези животи не означават, край на живота на кондензатора, а само времето, след изтичане на което следва значително влошаване на неговите параметри (капацитет, серийно съпротивление, и т.н.), което най-често води до провал.

Както можете да видите в горепосочения пример, по-ниска температура = по-дълъг живот. Има кондензатори с живот няколко пъти по-дълъг, но това означава по-висока цена. Всичко зависи от производителя, какви компоненти ще използва. В евтините захранвания, не се използват скъпи части, с по-дълъг живот.