Импульсные источники питания „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Импульсные источники питания практически вытеснили с рынка традиционные линейные источники питания и в настоящее время являются самой популярной и самой большой группой источников питания. Их преимуществом, по сравнению с линейными источниками питания, являются небольшие размеры, малый вес, высокая эффективность и производительность, а также хорошая цена. Минусом является сложность конструкции, а также более высокий уровень шума, генерируемого источником питания и повышенный уровень шума на выходе.

Основной принцип действия импульсного источника питания 

В импульсных источниках питания используются широтно-импульсные модуляции PWM (Pulse Width Modulation), то-есть выходное напряжение источника питания регулируется путем изменения коэффициента заполнения при постоянной, неизменной частоте.

Укорочение длительности импульса (t1 )приводит к уменьшению среднего значения выходного напряжения (U_out) и наоборот: расширение длительности импульса (t1) приводит к увеличению среднего выходного напряжения (U_out). Это можно видеть на графиках выше:

Среднее значение выходного напряжения можно рассчитать по следующей формуле:

Переменное напряжение сети, например, 230V(1) проходит через входной фильтр с элементами LC (3). Это очень важный элемент, который защищает энергосеть от сбоев, возникающих в подаче питания и защищает источник питания от помех, поступающих из энергосистемы. Напряжение переменного тока выпрямляется с помощью мостового выпрямителя (4) и после выпрямления напряжение постоянного тока достигает трансформатора (8), корорый манипулируется транзистором (5) иногда называемого переключатель. Транзистор включает и выключает ток квадратной волны с определенной частотой (возможный диапазон от 20 кГц до нескольких сотен кГц или даже МГц) и использованием широтно-импульсной модуляции PWM. Транзистор управляется схемой обратной связи (6,7), которая состоит из оптрона и контролера (драйвера) PWM. Система проверяет, каким является выходное напряжение и, в зависимости от того, повышается ли, уменьшается, изменяет длительность импульса (заливки), управляет транзистором и регулирует таким образом, чтобы на выходе всегда было постоянное напряжение. Эта система, проверяя напряжение на выходе, работает на высокой скорости, что позволянет сохранять постоянное выходное напряжение и в меру, если растет или уменьшается, немедленно исправляет изменения, чтобы удерживать его на постоянном уровне. Прямоугольное напряжение на выходе трансформатора (8) выпрямляется (9), а затем проходит через выходной фильтр (10), который должен "заблокировать" высшие гармоники и искажения, порожденные работой инвертора. На выходе (11) импульсного источника питания получаем стабилизированное постоянное напряжение.

Некоторые предложения, на какие параметры следует обратить внимание при выборе импульсного источника питания. 

Входное напряжение (Input Voltage) 

В Польше и Европейском Союзе напряжение в энергосети составляет 230 В переменного тока (исключением является Великобритания - 240 В переменного тока). Стандарты позволяют отклонение 10%, то есть напряжение питания может находиться в диапазоне от 207 В до 253 В переменного тока. Так что стоит выбрать источник птания с широким диапазоном входного напряжения, например, 100 - 264 В переменного тока.

Пусковой ток (Max Inrush Current) 

После включения источника питания, появляется большой импульс тока, который может достигать высоких значений в зависимости от мощности источника питания, порядка несколько десятков амперов, продолжительностью до 1 периода или при частоте 50 Гц переменного тока до 20мс. Это явление вызвано зарядкой входных конденсаторов. Это может быть проблемой, например, при одновременном включении нескольких источников питания или использовании источника питания с более высокой мощностью. Большой пусковой ток может вызвать отключение защиты в энергосети ( предохранителей, силовых выключателей и т д.) Выходом из этой ситуации является замена предохранителей от перегрузки по току на тип С или D.

Эффективность (Efficiency) 

Это отношение постоянного выходного тока ( отданного источником питания) к входной мощности переменного тока (побранной из сети), выраженное в процентах.

Эффективность обозначается буквой греческого алфавита "эта" η. В каждом устройстве, преобразовывающим энергию, часть потребляемой мощности идет на потери и именно эффективность позволяет оценить потери мощеости. На этот параметр следует обратить внимание, так как чем выше эффективность, тем меньше потери энергии, в результате чего внутри источника питания будет ниже температура, а это приводит к повышению надежности и увеличению срока службы устройства. В настоящее время производимые импульсные источники достигают даже > 90% ККД (силовые трансформаторы/линии имеют низкую эффективность использования энергии, не превышающую 50%).

Пример 1.
Имеем источник питания с выходной мощностью 100 W, который берет из энергосети 117,6 W. Вычислим его эффективность.

Наиболее часто в данных источника питания подается выходная мощность и КПД. Производители в спецификации не указывают сколько берет мощности источнитк питания. Можем это легко вычислить, подставляя значения из переделанного рисунка.

Пример 2.
Имеем источник питания с выходной мощностью 150 W и КПД 86%. Вычислим, какая мощность черпается из энергосети

Также легко можем вычислить, сколько энергии теряется на тепло в этом блоке питания (P_d – moc strat), используя простую формулу (вычесть от побранной мощности отданную мощность).

В этом случае 24,4 W теряется на тепло, конечно, при полной загрузке. Те 24,4 W повышают температуру внутри корпуса и нагревают внутренние компоненты.

MTBF - среднее время между неисправностями (Mean Time Between Failure) 

Выражается в часах и это информация о надежности устройства.

Очень часто этот параметр неправильно интерпретирован. Например, MTBF источника питания выносит 700 000 часов или почти 80 лет. Это не означает, что блок питания будет безупречно работать все это время.

Пути и методы расчета MTBF были введены американскими военными в 1965г. вместе с публикацией модели MIL-HDBK-217. Она включает в себя частоту аварий для различных электронных компонентов ( конденсаторов, резисторов, транзисторов). В этой модели опубликованы методы расчета аварийности. Это должно было служить стандартизации оценки надежности электронных устройств и военной техники.

Кроме модели MIL-HDBK-217, используются также другие способы расчетов параметра MTBF, которые могут встретиться в технической спецификации электронных устройств. Все модели имеют различные алгоритмы для расчета надежности. Примерные методы: HRD5, Telcordia, RBD, модель Маркова, FVEA/FMECA, дерево повреждений, HALT.

Зная время MTBF, можем вычислить вероятность повреждения устройства до того, когда истечет время наработки на отказ. Это очень полезная информация, которая позволит оценить отказ системы. Как правило, все просто: чем выше MTBF, тем более надежное устройство.

Помните, что всегда MTBF- это время, по истечении которого, надежность устройства снижается до 36,8%. 

Дословно: 2,178 поднятые в отрицательной степени времени работы деленное на MTBF.

Рассчитываем неисправность устройства, MTBF которого віносит 50 000 часов по времени 50 000 часов.

То-есть устройство при MTBF = 50 000 часов имеет надежность 36,8% по времени 50 000 часов, иначе говоря по времени 50 000 часов вполне вероятно, что на 100 устройств - 37 будет работать эффективно, а 63 будут податливы неисправностям.

Посмотрим вероятность ошибки в течение 3-х лет для, например, двух источников питания с разными MTBF.

1. МTBF = 50 000 часов, 3 года = 3 года х 24 часа х365 дней = 26280 часов и подставляем в формулу:

Этот результат показывает вероятность, что после трех лет 59,1% источников питания будет работать без сбоев (например, на 100 устройств 59 будет исправных, а 41 будут неисправными).

2. MTBF = 700 000 часов, 3 года = 3 года х 24 часа х 365 дней = 26280 часов и подставляем в формулу.

Этот случай показывает вероятность того, что после 3-х лет, 97,1 источник питания будет работать без сбоев (например, на 100 устройств 97 будет эффективных, а 3 будут неисправные).

Наиболее часто параметр MTBF определяется изготовителем для работы устройства при температуре окружающей среды 25. При работе с более высокими температурами правило таково, что повышение температуры на 10 С приводит к двукратному уменьшению значения MTBF. Почему одни устройства имеют высокий, а другие низкий MTBF? Различия являются результатом качества используемых элементов и сложности устройства. Не все производители указывают этот параметр в технических данных.

Выходное напряжение (Output Voltage) 

Выходное напряжение - это такое напряжение, которое должно быть стабилизировано при смене нагрузки питания от 0 до 100%. Надо осознавать, что во всех источниках питания на выходное напряжение накладываются шумы, пульсации и помехи. Они могут иметь амплитуду до нескольких сотен mVp-p. Иногда слишком большое значение пульсации выходного напряжения может стать причиной проблем, если питаемое устройство чувствительно к пульсации, напаример, помеха в изображении камеры в приложениях ССTV или частые перегрузки любого электронного устройства.

Ниже представлен снимок осциллограммы пульсации напряжения импульсного источника питания 12 V.

Динамический ответ на резкие изменения нагрузки (Dynamic Response) 

Каждый источник питания должен обеспечивать загрузку выходного напряжения постоянной величины, которое не изменяется при изменении тока нагрузки, однако иногда бывают резкие изменения нагрузки (например, включение/выключение ИК-подсветки в камере CCTV или включение/выключение дополнительной нагрузки). При изменении нагрузки от 0 до 100% (или наоборот) появляются нарушения и колебания выходного напряжения, которое может повлиять на работу других устройств. подключенных к источнику питания.

Большинство импульсных источников питания оснащены цепями защиты от коротких замыканий и перегрузок. Двигатели, лампочки, грузоподъемность и т.д., то-есть нагрузки нелинейной характеристики, могут нуждаться в большом импульсе тока при старте, что значительно превышает максимальный номинальный ток источника питания. Это может вызвать отключениеи не допустить активацию питания. На практике может оказаться, что источник питания, например, 12В 50Вт не сможет работать после переключения нагрузки 12В 30Вт (например, лампочка, двигатель).

Разработчики источников питания используют различные методы защиты от коротких замыканий и перегрузок. Защита должна обезопасить источник питания и нагрузку. Ниже рассматриваются наиболее распространенные.

Режим Hiccup (Hiccup mode) 

Эта защита используется очень часто ( с англ. hiccup – икота), преимущество которой - низкие потери мощности в источниках питания в случае перегрузки или короткого замыкания и автоматический возврат к нормальному режиму работы после исчезновения причины короткого замыкания или перегрузки.

Во время A возникает перегрузка или короткое замыкание. Наступает отключение источника питания. На выходе появляется импульс тока очень короткой продолжительности (напр.100мс) и значения до 150% максимального тока. Блок питания высылает этот импульс каждые несколько секунд до разрешения причины перегрузки или короткого замвкания (B), затем переходит к нормальному режиму работы. Порог срабатываяния защиты (исключительно источника питания) устанавливается в большинстве случаев на 110-150% от номинального тока (I_out). Чаще всего этот режим интегрирован с тепловой защитой. Если нагрузка потребляет тока больше, чем номинальный, но меньше порога безопасности, то через короткий промежуток включится тепловая защита, отключая источник питания и питание переходит в режим hiccup aдо момента разрешения причины перегрузки.

Кривая А - ограничение тока (Foldback Current Limiting)
Этот вид защиты применяется тпкже к линии электропитания. После превышения максимального тока (снижение нагрузки сопротивления), с последующим ее снижением (уменьшением). Иначе говоря, если сопротивление нагрузки уменьшается, наступает снижение тока. Преимуществом этого решения являются низкие потери мощности в источниках питания в случае перегрузки или короткого замыкания. Однако при этом решении блок питания не запускается при загрузке большим пусковым током (например, большая емкость).

Кривая В - стабилизирующая тока (Constant Current Limiting)
После превышения максимального тока (уменьшение сопротивления нагрузки), источник питания поддерживает постоянный выходной ток, независимо от величины перегрузки, в то время, когда уменьшается выходное напряжение. Часто используется вторая защита, которая выключает источник питания, когда напряжение спадет до нескольких вольт. Большим недостатком этого метода являются большие потери мощности в самом источнике питания и высокий ток, протекающий через нагрузку, что может привести к повреждениям. Этот тип защиты позволяет начать электропитание при загрузках нелинейного характера.

Кривая С - предел мощности (Over Power Limiting)
После превышения максимального тока (уменьшению сопротиволения нагрузки), выходная мощность источника питания остается постоянной. Вместе с ростом напряжения, напряжение и ток на выходе падают в соответствии с характеристикой С. Этот тип защиты позволяет начать электропитание при нагрузках нелинейной характеристики.

Температура работы (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

В зависимости от КПД источника питания, часть энергии, подводимой к источнику питания, теряется на тепло, температура внутри блока питания увеличивается по отношению к температуре наружного воздуха. Высококачественные источники питания, работая при температуре 25° С, могут нагреваться до 50 -70° С. При температуре окружающей среды 50° С, могут нагреваться до 75 - 95° С.

Очень важно понимать, что рабочая температура непосредственно влияет на срок службы и надежность устройства, импульсные источники питания имеют сложную конструкцию и состоят из большого числа электронных компонентов, которые могут быть расположены близко друг друга внутри корпуса блока. Слишком высокая внутренняя температура може привести к повреждениям источника питания и значительно сократить срок его службы. Обратите вниманеие, что существует сильная зависимость выходной мощности от температуры. Нужно обязательно избегать работы блока питания при температурах выше 50°С, несмотря на то, что производитель часто подает рабочую температуру выше этого значения. В этом случае следует внимательно ознакомиться с технической документацией.

Как видно на рисунке, источник питания может обеспечить полную мощность нагрузки, но только до 50°С. Во время работы при температуре 70°С устройство может заряжаться на 50%, что составляет половину максимального тока.

Компонентами, наиболее чуствительными к повышению температуры, являются электролитические конденсаторы. Практически каждый блок питания включает в себя несолько штук. Производители конденсаторов подают важный параметр, то-есть срок службы при максимальной рабочей температуре. Снижение температуры на 10С приводит к двукратному увеличению срока службы электролитического конденсатора.Например, стандартные электролитические конденсаторы имеют срок службы 1 000 часов при температуре 105°С.

или:

Эти времена не означают конец жизни конденсатора, только время, после которого наступит значительное ухудшение его параметров (емкости, последовательного сопротивления и т.д.), которые, как правило, приводят к аварии.

Как видно с примера выше, чем ниже температура = тем более длительный срок службы. Имеются конденсаторысо сроком службы в несколько раз больше, однако это приводит и к более высокой цене. Это от производителя зависит, какие будут применять компоненты. В дешевых источниках питания не используются дорогостоящие детали с большей продолжительностью жизни.