11 мифов об источниках питания

1. Разработка источников питания несложна.

Многие инженеры, специализирующиеся на цифровой электронике воспринимают источники питания как нечто давно существующее и само собой разумеющееся, однако источники питания постоянно совершенствуются, поскольку напряжения питания цифровой электроники становятся всё меньше. Требования к стабильности напряжения питания также непрерывно повышаются в связи с тенденцией уменьшения мощности, потребляемой электронными устройствами, повышения эффективности, и минимизации излучаемых шумов. При разработке источников питания необходимо учитывать пульсацию и шум их выходного напряжения, выбросы выходного напряжения, нелинейные искажения, статическую устойчивость и реакцию на динамическую нагрузку, а также индуцируемые источником в эфир, во входные и выходные цепи помехи и джиттер. Любой шум или переходные процессы на шине электропитания распространяются по всей системе.

2. Значение электропитания несущественно.

Нюансы в системе электропитания могут привести к серьёзным проблемам даже в качественно спроектированной цифровой системе. Проблемы, например, могут возникать, когда цифровая обработка сигналов не работает должным образом из-за джиттера тактовых сигналов, сигналов с данными, или из-за провалов напряжения, которые влияют на прохождение сигналов в цифровой системе, что может привести к сбоям.

В некоторых приложениях, например, в центрах обработки данных, высокое энергопотребление и низкая эффективность источников питания приводят к неприемлемому тепловыделению, что является ключевым сдерживающим фактором, ограничивающим компактность системы и требует дорогостоящей системы охлаждения и подключения. Качественное энергоснабжение становится всё более важным фактором при увеличении скорости и объёмов обмена данными. Уменьшение амплитуды сигналов для обеспечения более высоких скоростей требует более жёсткого нормирования помех, излучаемых импульсными источниками питания.

3. Источники питания не являются высокотехнологичным оборудованием.

На самом деле, разработка источников питания представляет собой динамически меняющуюся отрасль практической электроники, отслеживающую тенденции передовых технологий, например, появление силовых электронных компонентов на основе нитрида галлия (GaN), которые обеспечивают компактность преобразователя, высокие показатели удельной мощности, меньшие потери тепла и заметное повышение эффективности. Существуют также инновационные решения реализации источников питания в виде интегральных схем (Power-Supply System-in-Package, PSSiP), которые повышают производительность систем электропитания различных интеллектуальных устройств – современных мобильных телефонов, телевизоров, серверов – везде, где требуется электропитание от сети постоянного или переменного тока.

4. Для преобразования напряжения сети переменного тока в постоянный ток низкого напряжения необходим понижающий преобразователь и трансформатор.

Определённые технические приёмы с использованием конденсаторов в некоторых случаях позволяют отказаться от понижающего преобразователя или трансформатора, в зависимости от требуемых величин напряжения и тока. Даже в тех случаях, когда используется трансформатор, предварительный ёмкостный каскад позволяет применить трансформатор меньшего размера, сэкономив на его стоимости.

5. Преобразователи на основе переключающихся конденсаторов экономически невыгодны и не могут передавать существенную мощность.

Грамотно разработанные на основе переключающихся конденсаторов каскады, понижающие напряжение, позволяют реализовывать экономически выгодные решения. Последовательная настройка конденсаторных каскадов позволяет оптимизировать размеры переключающихся конденсаторов и снизить напряжения, прикладываемые к последующим каскадам. В действительности, преобразователи способны выдавать мощность в десятки ватт при помощи чисто ёмкостных каскадов без классических понижающих преобразователей.

6. Для обеспечения изоляции необходим трансформатор.

Продуманная разработка с использованием развязывающих конденсаторов может обеспечить ёмкостную изоляцию 4 кВ между электрической сетью высокого напряжения и низковольтным выходом источника питания. Следует соблюдать осторожность и быть уверенным, что эта изоляция находится под контролем аппаратных средств и сбой в программном обеспечении никогда не приведёт к протеканию постоянного тока от входа к выходу.

7. Для реализации импульсных источников питания необходимо множество электронных компонентов от ряда поставщиков.

Такая ситуация возможна из-за того, что многие поставщики электронных компонентов для импульсных источников питания, по-видимому, противятся повышению уровня интеграции, чтобы избежать снижения продаж в существующем секторе бизнеса. Однако это не мешает производителям реализовывать множество электронных компонентов на одной интегральной схеме и размещать её с некоторыми дискретными компонентами в одном корпусе (Power-Supply System-in-Package, PSSiP). Таким способом можно заменить источник питания 110 VAC to 3.3 VDC, состоящий из 68 электронных компонентов на один небольшой 6-контактный корпус PSSiP.

8. Стабилизация выходного напряжения на первичной стороне преобразователя (Primary-side regulation,менее точна, чем стабилизация по вторичной стороне.)

Метод PSR использует параметры частоты преобразования источника наряду с измерениями напряжения на силовом ключе и на конденсаторах, чтобы обеспечить правильное вычисление выходного напряжения. Таким способом можно достичь точности поддержания выходного напряжения до 1 %, без каких-либо дополнительных обмоток, как это обычно требуется при использовании традиционных существующих способов PSR. Такое решение позволяет отказаться примерно от девяти дополнительных электронных компонентов, требуемых для реализации оптоизолированный схемы стабилизации выходного напряжения по вторичной стороне.

Метод PSR не требует дополнительной обмотки и позволяет исключить примерно девять дополнительных электронных компонентов, необходимых для реализации оптоизолированный схемы стабилизации выходного напряжения по вторичной стороне. Таким способом достижима 5%-я точность стабилизации выходного напряжения при помощи аналоговых средств или 1%-я точность цифровыми способами.

9. Переключающиеся силовые электронные компоненты в импульсных источниках питания являются источниками шумов и создают проблемы электромагнитной совместимости.

Действительно, в силу своих особенностей импульсные источники питания генерируют электромагнитные помехи (EMI), представленные гармониками кратных частот. Это связано с тем, что преобразование напряжения в них происходит с использованием не синусоидальных, а прямоугольных сигналов, которые в соответствии с преобразованием Фурье состоят из суперпозиции множества более высоких частот. Тем не менее, есть несколько способов минимизации генерации шума и подавления кондуктивных и эфирных электромагнитных помех. В некоторых случаях используют низкие частоты преобразования, заметно снижая электромагнитные и перекрёстные помехи и проблемы шума.

10. КПД источника питания оптимизирован для небольшого диапазона выходной мощности и значительно уменьшается при малых нагрузках.

В самом деле, КПД классического понижающего преобразователя начинает круто падать при снижении нагрузки ниже примерно 50 % от мощности, на которую он рассчитан. Одним из способов решения такой проблемы является использование режима классического понижающего преобразователя при высоком потреблении мощности, и автоматический переход в режим переключающихся конденсаторов при малых мощностях нагрузки. Такой метод используется, например, в некоторых модульных источниках электропитания, которые показывают неизменно высокий КПД в широком диапазоне выходной мощности.

11. Требования к потреблению тока современными источниками питания не более 30 мА на холостом ходе представляют собой сложную техническую задачу.

Действительно, многие производители источников питания запросили отсрочку соблюдения данных требований, указывая на серьёзные технические трудности. Однако технология не стоит на месте! Некоторые производители уже добились потребления источниками питания в режиме ожидания лишь 0,5 мВт от сети 110 VAC и 1 мВт от сети 220 VAC.

Выводы

Несмотря на то, что разработка импульсных источников питания проделала долгий путь с первых дней своего существования, проблемы продолжают появляться, хотя бы потому, что, например, напряжения питания современной электроники снижаются, а динамические требования возрастают. В связи с этим, для современных инженеров-системотехников предпочтительнее использовать готовые модульные источники питания при решении проблем проектирования систем электроснабжения и сосредоточиться на ключевой сфере деятельности своей компании.