Источник питания — это электрическое устройство, которое обеспечивает питанием одну или несколько электрических нагрузок. Его основная функция — адаптация электрической энергии к нагрузке путём преобразования энергии от источника электропитания в соответствующий ток, напряжение и частоту, требуемые нагрузкой. Источники питания также обеспечивают защиту подключённой нагрузки, ограничивая ток нагрузки и отключая его в случае неисправности. Эти устройства также изменяют выходную мощность для предотвращения электронных помех и обеспечения коррекции коэффициента мощности.

В этой статье мы объясним различные типы источников питания и рассмотрим, почему источники питания без вентилятора могут обеспечить наилучшую производительность.

Линейные регуляторы и импульсные источники питания

Источники питания можно разделить на два основных типа: линейные стабилизированные источники питания и импульсные источники питания (ИИП).

Линейные регуляторы преобразуют переменный ток (AC) в стабильный постоянный ток (DC). Они используют трансформатор для обеспечения гальванической развязки между высоковольтным входом переменного тока и низковольтным выходом постоянного тока, для фильтрации помех на входе и для снижения входного напряжения переменного тока, которое затем выпрямляется в выходное напряжение постоянного тока. Линейные стабилизированные источники питания имеют низкий КПД (30-60 процентов), что означает большие потери мощности и необходимость отвода тепла.

Импульсные источники питания обладают высоким КПД (более 80 процентов) и продвинутыми характеристиками. ИИП преобразуют входное сетевое напряжение частоты в высокочастотное переменное напряжение, а затем понижают его до более низкого напряжения с помощью небольшого трансформатора. Затем напряжение выпрямляется, фильтруется и регулируется для получения стабильного выходного напряжения постоянного тока.

ИИП имеют более сложную конструкцию и более высокую стоимость по сравнению с линейными регуляторами. Однако они обладают многочисленными преимуществами по сравнению с линейными регуляторами, включая компактные корпуса и очень высокий КПД без выделения избыточного количества тепла.

Важность КПД источника питания

КПД источника питания — это процентное отношение общей выходной мощности к входной мощности, обычно указываемое при полной нагрузке и номинальном входном напряжении:

Например, если источник питания имеет КПД 50 процентов, а требуемая мощность нагрузки составляет 100 Вт, то общая входная мощность должна составлять 200 Вт. Остальные 50 процентов входной мощности расходуются впустую, в основном в виде тепла, и должны быть должным образом отведены во избежание повреждения устройства. Это показывает, насколько важны источники питания с высоким КПД. Они имеют значительно меньшие потери, что означает, что они остаются более холодными и потребляют меньше энергии из сети для обеспечения той же выходной мощности.

Источники питания не имеют постоянного КПД, поскольку он зависит от условий окружающей среды и нагрузки. Как правило, источники питания достигают максимального КПД при работе на 50 процентов от номинальной нагрузки. Источники питания имеют более высокий КПД при питании от 230В, чем от 110В переменного тока. В настоящее время на рынке представлены передовые модели, способные работать с неизменно высоким КПД даже в диапазоне 50-100 процентов от номинальной нагрузки. Например, диаграмма на Рисунке 1 показывает кривую КПД серии MEAN WELL UHP-2500 в зависимости от напряжения питания и нагрузки. 

Достичь 100-процентного КПД источника питания невозможно. Однако при передовой конструкции и правильно подобранных компонентах возможны высокие значения КПД (например, MEAN WELL UHP-2500 на Рисунке 1 имеет КПД до 96 процентов). Потери в источниках питания вызваны пассивными и активными компонентами и чаще возникают в линейных источниках питания, чем в ИИП. Потери мощности в ИИП происходят в основном в переключающих устройствах (МОП-транзисторах и диодах). Другие потери вызваны конденсаторами и индуктивностями (их можно снизить при использовании передовых компонентов с низким сопротивлением, которые обычно являются дорогостоящими). Потери пассивных компонентов включают потери на резисторах (I2R), потери на конденсаторах и потери на индуктивностях из-за индукции сердечника и обмотки. Потери активных компонентов в основном вызваны МОП-транзисторами и диодами в виде потерь на проводимость и переключение.

Хотя ИИП могут стоить дороже, их высокий КПД позволяет экономить на затратах на электроэнергию. Они также более надёжны, создают меньше шума и требуют меньшего охлаждения. В них используются высококачественные компоненты, такие как переключающие устройства, мощные конденсаторы и дроссели с хорошими характеристиками. Они обеспечивают лучшее выходное напряжение с низкими пульсациями, меньшим шумом и меньшим тепловыделением, а также лучшую стабилизацию напряжения.

Методы охлаждения источников питания

Источники питания выделяют тепло, которое может повредить компоненты в цепи. По этой причине источники питания должны иметь систему охлаждения для отвода избыточного тепла. Вот наиболее часто используемые методы теплоотвода или охлаждения:

1. Естественная циркуляция воздуха — это простой метод конвекционного охлаждения, при котором воздух естественным образом циркулирует и отводит тепло от устройства. Естественная циркуляция воздуха — это простой и недорогой вариант охлаждения, не требующий дополнительных механических компонентов. Поскольку этот тип охлаждения обладает низкой способностью к теплоотводу, источники питания, использующие его, ограничены в безопасном диапазоне рабочих температур.
2. Принудительное воздушное охлаждение предполагает использование одного или нескольких вентиляторов для улучшения естественной циркуляции воздуха, что позволяет достигать более высоких рабочих температур. Поскольку вентиляторы потребляют дополнительную энергию, они снижают КПД источника питания. Они также требуют регулярного обслуживания и замены. Этот тип охлаждения непрактичен для приложений с ограниченным пространством.
3. Радиаторы передают тепло посредством прямого контакта с более холодным компонентом, которым может быть радиатор (с рёбрами) или холодная пластина (без рёбер). Радиатор с рёбрами имеет большую площадь поверхности контакта с воздухом и, следовательно, обеспечивает более быстрый теплоотвод. Его часто сочетают с принудительным воздушным охлаждением для лучшего теплоотвода. Однако радиаторы требуют больше места, что ограничивает их использование в некоторых приложениях. Холодные пластины — это толстые металлические пластины, используемые для отвода тепла от устройства. Они используются в приложениях, где простота и компактность являются ключевыми параметрами.
4. Жидкостное охлаждение состоит из холодной пластины со встроенной трубкой, по которой циркулирует замкнутый контур охлаждающей жидкости. Жидкость помогает базовой пластине поддерживать очень стабильную температуру, обеспечивая максимально эффективную теплопередачу. Поскольку жидкостное охлаждение исключает необходимость в вентиляторах, оно не занимает много места. Жидкостное охлаждение обеспечивает отличный теплоотвод, не создаёт шума и вибрации и увеличивает срок службы источника питания. Однако жидкостное охлаждение обходится дороже, так как требует более сложной конструкции. Жидкостное охлаждение обычно используется в приложениях, выделяющих много тепла, таких как промышленные лазеры или зарядные станции.

Источники питания с жидкостным охлаждением могут быть спроектированы с очень высокой выходной мощностью. Например, источники питания с жидкостным охлаждением от MEAN WELL, серия PHP-3500, способны выдавать до 3500 Вт. Они также обладают функцией активного распределения тока, позволяющей до четырём параллельным блокам обеспечивать до 14 000 Вт.

В видео ниже показано сравнение разницы температур между жидкостным и принудительным воздушным охлаждением МОП-транзистора и конденсатора. Температура при жидкостном охлаждении на 6-18°C ниже по сравнению с принудительным воздушным охлаждением.

Несмотря на высокую стоимость, источники питания с жидкостным охлаждением являются наиболее эффективным решением для приложений, где принудительное воздушное охлаждение не подходит. Во многих приложениях следует избегать принудительного воздушного охлаждения, поскольку добавление вентилятора к источнику питания снижает его надёжность, увеличивает стоимость, создаёт шум и приводит к проблемам с обслуживанием.

Источник питания без вентилятора (например, MEAN WELL UHP-2500 на Рисунке 2 ниже) позволяет избежать проблем, связанных с отказами вентиляторов, и снижает затраты на обслуживание. Источники питания без вентилятора также подходят для сред, требующих абсолютной тишины.

Источники питания и управление питанием

Управление питанием — важная функция в любой электронной системе, поскольку оно контролирует, регулирует и распределяет питание постоянного тока по системе. Управление питанием влияет на надёжность, производительность и стоимость.

Передовые источники питания оснащены функциями программируемого напряжения и тока (PV/PC), что позволяет регулировать выходное напряжение в диапазоне 50-120 процентов и ток в диапазоне 20-100 процентов с помощью внешнего управляющего сигнала постоянного тока. Кроме того, они могут иметь протоколы связи (например, PMBus или CANBus) для реализации интеллектуального источника питания. Как правило, существует два типа регулирования выходного сигнала источника питания: интерфейс внешнего аналогового сигнала и интерфейс цифрового управления.

Технология управления через интерфейс внешнего аналогового сигнала использует внешнее напряжение для управления выходным напряжением источника питания. Аналоговые источники питания стабильны и надёжны, но обладают ограниченной гибкостью. Хотя состояние можно контролировать, управление обычно ограничивается одной возможной реакцией на параметр. Внешнее аналоговое напряжение обычно находится в диапазоне 1-5В. Выходной ток может быть отрегулирован в пределах 20-100 процентов от номинального тока путём подачи внешнего напряжения. На Рисунке 3 показана диаграмма регулирования выходного тока с использованием внешнего напряжения постоянного тока.

Цифровое управление обеспечивает доступ к большому объёму информации и позволяет получить более гибкий выходной сигнал. В таблице ниже показаны преимущества цифровой конструкции источника питания:

Наиболее широко используемый протокол связи для цифрового управления источниками питания - PMBus (шина управления питанием). PMBus представляет собой открытый стандартный протокол управления питанием, который упрощает проектирование и снижает сложность систем питания с цифровым управлением. CANBus (сеть контроллеров) - еще один протокол связи. Он поддерживает большинство команд и функций протокола PMBus; главное различие между ними заключается в способе передачи сигналов. Выбор между CANBus и PMBus зависит от конкретных требований приложения. MEAN WELL предлагает дополнительные модели CANBus для продуктов, уже интегрированных с PMBus.

Источники питания со встроенным протоколом PMBus позволяют конечной системе отслеживать и контролировать различные рабочие параметры источника питания, такие как напряжение, ток и температура. Источники питания без вентилятора в сочетании с протоколом PMBus значительно повышают надёжность на протяжении всего срока службы и гибкость установки, обеспечивая более компактные и интеллектуальные конечные системы. Например, PHP-3500 поддерживает PMBus с максимальной скоростью шины 100 кГц, что позволяет считывать информацию, отслеживать состояние и регулировать выходные параметры.

Чтобы узнать больше о преимуществах источников питания без вентилятора и управления питанием, ознакомьтесь с источниками питания MEAN WELL UHP и PHP.

 

Этот пост спонсирован OnlineComponents.com. Все мнения являются моими собственными. --Эдис Османбасич