Системы электропитания с усреднением импульсной мощности

Системы электропитания по типу нагрузки обычно относятся к одному из двух типов: те, которые непрерывно обеспечивают более-менее постоянную выходную мощность, и те, в которых энергия потребляется короткими импульсами. Чаще всего системы электропитания импульсных нагрузок сконфигурированы в расчёте на пиковую выходную мощность. Например, если периодическая нагрузка в течение 1 мс потребляет 3 кВт, а после этого 5 мс выключена, то для её питания используют источник мощностью также 3 кВт, хотя средняя мощность в этом случае составляет всего 500 Вт.

Такой подход приводит к некоторым проблемам для разработчика, поскольку в этом случае необходимо, чтобы вся система была спроектирована с учётом требований для  пиковой мощности. Размер системы, её вес и стоимость будут также определяться пиковыми, а не средними требованиями мощности. Вспомогательные устройства, такие как шунтирующие конденсаторы, радиаторы и вентиляторы также занимают системное пространство, усугубляя проблему ограниченного веса и размера системы. По мере увеличения мощности устройств это приводит к тому, что требования к системе становятся труднореализуемы.

В этом случае лучшей альтернативой может стать проектирование энергосистемы для усреднённой, а не пиковой мощности.

Усреднение мощности

Одним из решений для приложений, в которых периодическая нагрузка потребляет мощность только в течение короткого времени, является совместное использование преобразователей напряжения с ограничением выходного тока и батареи конденсаторов для обеспечения максимальной потребляемой мощности. Однако при создании такой системы электропитания разработчик должен учитывать не только возможности преобразователя по ограничению своего выходного тока, но и устойчивость его обратной связи по напряжению. Кроме этого необходимо правильно определить ёмкость конденсаторной батареи, чтобы удержать падение напряжения на нагрузке в пределах допустимых значений.

Такие области применения, как импульсные усилители, мигающие светодиодные фонари и автоматические устройства периодического включения-выключения, могут использовать принцип усреднения мощности для снижения стоимости, объёма и веса системы.

Рисунок 1. Пример конфигурации с усреднением мощности нагрузки

Конфигурации с усреднением мощности, принцип действия которых проиллюстрирован на рисунке 1, особенно эффективны, когда нагрузка способна работать в широком диапазоне входного напряжения. Обычно это относится к таким приложениям, в которых нагрузка источника питания представляет собой другое регулирующее устройство (как правило, POL-преобразователь) или несколько таких регулирующих устройств. В моменты потребления мощности POL-преобразователем или его нагрузкой, большую часть тока будет обеспечивать конденсаторная батарея, потому что преобразователь перейдет в режим ограничения выходного тока, работая и на батарею, и на нагрузку. В это время напряжение на батарее конденсаторов будет падать, поэтому её ёмкость должна быть такой, чтобы это напряжение оставалось в пределах рабочего диапазона POL-преобразователя.

Для того, чтобы минимизировать ёмкость этой конденсаторной батареи, разработчику выгоднее заряжать её до максимально допустимого входного напряжения POL-преобразователя и позволять ей разряжаться до его минимального входного напряжения.

Эксплуатация преобразователей с ограничением выходного тока в импульсных приложениях

DC-DC-преобразователи обычно разрабатываются для стабилизации своего выходного напряжения вплоть до максимального уровня выходной мощности. Если нагрузка пытается отобрать от преобразователя ток больший, чем его максимальный ток, то преобразователь обычно переходит в режим ограничения выходного тока, при этом либо снижая своё выходное напряжение, либо отключаясь и перезагружаясь.

Ограничение выходного тока обычно устанавливается на уровне чуть выше, чем  максимальный ток преобразователя. Так, например, преобразователь, рассчитанный на выходную мощность 500 Вт с выходным напряжением 48 В постоянного тока, будет иметь максимальный постоянный ток 500 Вт/48 В=10,4 А. Однако ограничение тока не будет происходить до тех пор, пока выходной ток не достигнет примерно 13 А. Ограничение тока обычно предусмотрено для единичных  аварийных ситуаций, происходящих при сбоях в работе нагрузки. Если преобразователь не рассчитан на длительную работу в режиме ограничения выходного тока, то его компоненты будут подвергаться перегрузкам, что сократит срок службы системы электропитания.

Если нагрузка превышает максимальный ток преобразователя, но не превышает  предел ограничения его выходного тока, то есть вероятность перегрузить источник и вызвать сбой в работе системы питания, поскольку 500-ваттный преобразователь с пределом тока, установленным на уровне 13 А, будет перегружен до 624 Вт.

Работа с большой накопительной ёмкостью

Большая накопительная ёмкость, используемая для усреднения импульсной мощности нагрузки, может также осложнить работу системы электропитания. Включение преобразователя на значительную ёмкость, составляющую во многих случаях сотни тысяч микрофарад, приведёт к ограничению его выходного тока. Для исключения проблем, связанных со срабатыванием защиты преобразователя от перегрузки по выходному току, часто используется внешняя схема ограничения тока заряда накопительной ёмкости, чтобы удерживать условия работы источника в пределах его рабочих величин.

Разработчики систем электропитания могут предусмотреть предварительную  зарядку внешнего конденсатора или добавить к нему на время заряда последовательное сопротивление, которое ограничит ток заряда при включении и будет закорочено после заряда конденсатора. Схемы подзарядки конденсатора и ограничения его тока заряда могут быть достаточно сложными и занимать ценное пространство на печатной плате. Внешние схемы ограничения тока должны быть также достаточно быстрыми, чтобы вовремя отслеживать перегрузки, поскольку существует вероятность многократного повторения таких событий.

После того, как преобразователь успешно включится, система электропитания должна стать стабильной, но для некоторых DC/DC преобразователей конденсатор большой ёмкости может дестабилизировать контур обратной связи по напряжению, что станет причиной сбоя системы электропитания. Разработчик сможет решить эту проблему потенциальной нестабильности, если у него есть доступ к элементам контура обратной связи преобразователя, но для этого опять потребуются сложные и трудоёмкие инженерные работы.

Преобразователи, разработанные для работы с нагрузками большой ёмкости

Таким образом, внешние схемы могут стать очень сложными в случае, если преобразователь не предназначен для работы с большой выходной ёмкостью. К счастью, на рынке существуют преобразователи напряжения, предназначенные для работы с большой ёмкостной нагрузкой, которые могут работать в режиме ограничения выходного тока и выходной мощности даже при величине выходной ёмкости до 10000 мкФ. Можно использовать конденсаторы даже большей ёмкости, если они будут подключены к преобразователю только на время его запуска. Эти преобразователи имеют функцию безопасного ограничения выходного тока, что означает, что они могут работать с выходной мощностью, превышающей номинальную в течение коротких промежутков времени.

Во время запуска такие преобразователи будут заряжать выходные конденсаторы, оставаясь при этом в безопасной рабочей зоне, а после заряда конденсаторов контур обратной связи преобразователей останется стабильным и обеспечит их нормальную работу.

В приложениях, рассчитанных на усреднение импульсной мощности, мощность, потребляемая конечными POL-преобразователями, будет больше, чем возможности первичного преобразователя, поэтому он будет питать нагрузку до тех пор, пока его выходное напряжение не снизится из-за режима ограничения тока. Как только его напряжение начнёт спадать, то ток, потребляемый нагрузкой, будет обеспечиваться батареей конденсаторов. При выборе конденсаторов необходимо брать в расчёт, что от них будет отбираться гораздо больший ток, чем от преобразователя.

После завершения импульса тока в нагрузке преобразователь должен успеть подзарядить батарею до её начального напряжения, чтобы она была готова к следующему циклу.

На рисунке 2 показаны осциллограмма и блок-схема системы электропитания, работающей на принципе усреднения мощности. В этом примере 320-ваттный первичный преобразователь имеет выходное напряжение, равное 50 В. Последующие POL-преобразователи обеспечивают суммарный импульсный ток нагрузки 20 A при напряжении 48 В постоянного тока, что составляет 960 Вт импульсной мощности. Частота нагрузки —  1 Гц, а рабочий цикл равен 7%, т.е. длительности импульса 70 мс. Когда POL- преобразователи питают нагрузку, они потребляют энергию от батареи конденсаторов ёмкостью 100000 uF и от первичного преобразователя, который переходит в эти моменты в режим защиты от перегрузки по току, при этом основную часть потребляемой нагрузкой мощности обеспечивает батарея конденсаторов. После завершения импульса первичный преобразователь подзарядит батарею до её начального напряжения.

Рисунок 2. Блок-схема системы электропитания, работающей на принципе усреднения мощности и осциллограмма её выходных характеристик

Вывод

Источники электропитания, сконфигурированные на принципе усреднения импульсной мощности очень эффективны для уменьшения размера, веса и стоимости энергосистем, в которых нагрузка представляет собой короткие периодические импульсы. Внешнюю дополнительную схему можно минимизировать, если преобразователь постоянного тока способен безопасно работать в режиме ограничения выходного тока или выходной мощности. Оптимизация системы электропитания с усреднением мощности также помогает устранить дополнительные схемы и аппаратные средства, необходимые для систем электропитания, рассчитанных на обеспечение пиковой мощности нагрузки. Всё это вместе позволяет разработчику обеспечить требования по габаритам и весу системы электропитания.