Este uşor de supradimensionat o sursă AC/DC – Dar nu ar trebui procedat aşa.

28 MARTIE 2013

Puteţi utiliza o sursă de alimentare mai puternică decât este necesar, dar de multe ori este bine să fie corect dimensionată, declară Don Knowles, VP Engineering la N2Power.
După cum este importantă dimensionarea corectă a sursei AC/DC, este de asemenea important pentru proiectanţi să nu supradimensioneze această componentă vitală. Poate părea împotriva intuiţiei, dar “prea mult” dintr-un lucru bun poate avea consecinţe negative în eficienţă, răcire, dimensiunea globală a produsului, şi chiar şi asupra vânzătorilor disponibili. Pe lângă aceasta apare şi problema evidentă a costului mai ridicat.

de Don Knowles, VP Engineering, N2Power

Primul şi cel mai important factor de luat în consi­derare este potrivirea dintre capabilitatea de ieşire a sursei şi sarcina pe care trebuie să o suporte.
De exemplu, dacă sarcina maximă (tensiunea DC × curentul) este 500W, atunci o sursă de 1000W oferă mult mai multă toleranţă de proiectare decât este necesară.

Figura 1: Randamentul unei surse variază cu sarcina, cu vârful în zona 80-95% din capacitatea lor maximă nominală; Acest grafic arată curba N2Power XL280-48.

Care sunt consecinţele unei surse care are aşa de multă putere disponibilă? Vestea bună este că, evident, sunt disponibili mai mulţi amperi la valoarea de tensiune nominală de care este nevoie. Simplu, dar nu exact. Există inconveniente semnificative în a avea disponibilă această putere suplimentară nefolosită.
Cel mai semnificativ inconvenient are de-a face cu ineficienţa şi numeroasele sale consecinţe. Fiecare sursă are o caracteristică eficienţă vs. sarcină, precum cea din figura 1. Pentru o sursă în comutaţie bine proiectată, randamentul uzual are valoarea cea mai mare în domeniul 80-95% din sarcina nominală maximă. [Această chestiune generală nu se aplică surselor şi stabilizatoarelor liniare, dar acestea sunt rar peste nivele de putere cu câţiva watt.]
Când operează la sarcini reduse, ce poate însemna majoritatea timpului în aplicaţii precum un centru de date, sursa de tensiune poate genera multă căldură suplimentară, şi aici este momentul în care încep consecinţele evidente şi nedorite ale coşmarului inginerilor. Efectul evident este acela că se iroseşte multă putere AC, astfel încât sistemul costă mai mult să opereze, iar costul este simplu de cuantificat.
O sursă mai mare este de asemenea mai scumpă şi este simplu stabilit acest preţ.
Dar dincolo de aceste elemente ușor de evaluat sunt şi unele mult mai greu de înțeles. Ca o consecință a căldurii suplimentare, de care trebuie scăpat, trebuie făcut faţă unui design mult mai complex și unor pro­bleme de buget legate de răcire prin convecție (care ar putea să nu mai fie posibilă), cu ventilatoare, trasee de aer, radiatoare. Aceste elemente adaugă costuri directe, materiale, lipsă de fiabilitate, precum și constrângeri legate de capsulare, limitând chiar libertatea de mişcare datorită capacităţii cutiei, sau trebuind să se redimensioneze cutia. Suplimentar, o sursă de tensiune mai mare are evident o amprentă mai mare, cu consecinţe negative clare.
Mai mult, alegând dimensiuni mai mari de surse de tensiune, veţi găsi mai puţini vânzători dintre care să alegeţi, şi mai puţine alternative directe sau surse secundare de produse. Acest lucru poate să nu vă supere direct, dar departamentele de achiziţii sau de contractare pot avea probleme.
Pentru aceste motive, majoritatea distribuitorilor de surse de tensiune AC/DC oferă o familie largă cu multe unităţi similare, cu excepţia capacităţii, astfel încât să puteţi echilibra dimensiunea sursei cu sarcina cu un mic supliment de capacitate.
De exemplu, produsele seriei XL de surse de tensiune de la N2Power sunt disponibile cu puteri nominale apropiate, şi anume: 125, 160, 275 şi 375W.
De observat că dispozitivele apropiate ca putere ale unor distribuitori diferă doar ca putere nominală, dar au aceeaşi dimensiune fizică şi conectoare, astfel că se pot înlocui fără probleme dacă apar schimbări în necesarul energetic.
Un exemplu poate fi situaţia surselor N2Power XL125 şi XL160 (Figurile 2a şi 2b); ambele au o amprentă identică 3″ × 5″ inch (7,5cm × 12,5cm).
Desigur, este uşor de spus “proiectul să dispună utilizarea unei puteri mai mici, dar dimensionarea sursei să se facă la sarcina maximă.”
Problema este că pentru multe proiecte, raportul dintre sarcina maximă (vârf) şi sarcina tipică este mare; rapoarte precum 2:1 sau chiar 3:1 sunt des întâlnite. Astfel că sursa de tensiune trebuie dimensionată la sarcina de vârf, dar majoritatea timpului sursa rulează departe de această sarcină, într-o zonă ineficientă.
Există căi de ocolire a acestei probleme, precum utilizarea unui amplificator auxiliar pentru sarcini de vârf, un super-condensator, sau alte tehnici. Totuşi, fiecare dintre acestea aduc noi probleme de proiectare, cu conectarea la sarcină, şi răspunsul global la sarcini tranzitorii. De aceea, pentru a evita supradimensionarea, trebuie încercată aducerea sarcinii maxime a sistemului cât de aproape se poate de valoarea sarcinii tipice.

Dincolo de randament ce mai este?

Alţi factori de luat în considerare sunt domeniul temperaturii de operare, domeniul tensiunii de operare, stabilizarea în linie/sarcină, diferite tipuri de protecţii, redundanţe şi intrări / ieşiri. Ştiind temperatura ambientală de operare şi schema de răcire ce va fi utilizată, ce temperatură de operare este nevoie pentru sursă? Cu siguranţă, o sursă de tensiune cu posibilitatea de a opera la temperaturi mai ridicate costă mai mult – dar poate că aceasta vă permite să “scăpaţi” cu cerinţe de răcire mai reduse, astfel că trebuie luat în considerare un echilibru.
Nu uitaţi operarea la joasă temperatură de asemenea, dacă aplicaţia urmărită este una în care sursa de tensiune trebuie să supravieţuiască sau măcar să pornească la temperaturi sub cea de îngheţ.

Figura 2: a) XL125 125W AC/DC şi b) XL160 160W de la N2Power diferă prin puterea nominală; amprenta lor, dimensiunile fizice, conectoarele şi multe alte specificaţii sunt identice.

Care este valoarea nominală a linei AC (reţea)?
Aveţi nevoie de o sursă pentru numai 115VAC, numai 230VAC, sau o sursă cu plajă largă de intrare care să poată gestiona ambele valori?
Ca de obicei, există un echilibru: în general, o sursă pentru ambele valori AC este un pic mai scumpă, dar costul suplimentar poate merita pentru că veţi putea cumpăra mai multe bucăţi de acelaşi fel, iar costurile de stoc, inventar şi suport vor fi mai mici.
Mai complicată este toleranţa de care este nevoie în jurul valorii nominale a liniei de reţea AC.
Sursa va trebui să lucreze cu un balans de ±5%, o des­chidere medie de ±10%, sau o variaţie mai mare de ±20% în jurul valorii nominale?
Sursele care pot lucra cu reţele mai problematice, dar să păstreze stabilitatea conform specificaţiilor sunt mai costisitoare, şi există mai puţini distribuitori potriviţi. Dacă vreţi să acceptaţi o toleranţă mai mare, este poate mai puţin costisitor să achiziţionaţi un dispozitiv pre-stabilizator pentru a păstra linia AC într-o gamă mai strânsă şi apoi să utilizaţi surse mai puţin costisitoare.

Ce nivel de precizie absolută de ieşire, stabilitate şi stabilizare necesită sistemul dumneavoastră?
Majoritatea surselor de tensiune au un reglaj din fabrică pentru valoarea ieşirii nominale, astfel că sursa trebuie să fie foarte aproape de ieşirea specificată. Dar trebuie avut în vedere că în vreme ce stabilitatea şi stabilizarea variază de la producător la producător şi specificaţiile mai strânse costă mai mult, s-ar putea să nu fie nevoie de asemenea performanţe.
Motivul este acela că multe căi ale surselor de tensiune de la AC la DC în final constau din mai multe niveluri. Primul nivel, convertorul AC/DC alimentează un convertor de magistrală intermediar (IBC) sau convertor de punct de sarcină (POL), nu linia finală. Aceste convertoare DC/DC oferă tensiunile pe care le utilizează sistemul, ele putând fi capabile să tolereze variaţii modeste ce provin de la sursa AC/DC la intrările lor DC.
Aproape toţi producătorii credibili oferă caracteristici precum protecţie la supratensiune, protecţie la scurtcircuit şi închiderea ieşirii în caz de probleme. Unii oferă şi extra-protecţie împotriva tensiunilor tranzitorii extreme, inclusiv vârfuri induse de fulgere. Dacă nu vă aşteptaţi să întâlniţi asemenea evenimente, sau dacă preferaţi să asiguraţi protecţia cu componente discrete externe, puteţi utiliza o sursă ce răspunde specificaţiilor de bază în ceea ce priveşte tensiunile tranzitorii, şi nu una cu protecţii suplimentare.
Unele surse oferă capabilitate N+1, în care se poate crea un şir de surse de tensiune cu comutaţie automată în caz de probleme de funcţionare.
Dacă nu aveţi nevoie de asemenea nivel de siguranţă de funcţionare, sau dacă preferaţi utilizarea unei singure surse AC/DC, această caracteristică nu este necesară.
Există de asemenea o tendinţă, în special în cazul sistemelor mari, ca sursele să ofere un raport asupra multor condiţii de operare (în special temperaturi interne) către un dispozitiv de monitorizare a sistemului, şi chiar să modifice parametrii de operare sub comanda unui controler de sistem.
Pentru aplicaţii ce nu necesită acest nivel de interacţiune sursă/sistem, nu trebuie cheltuit suplimentar pentru porturi de intrare/ieşire (I2C, PMBus, SPI) şi pentru circuitele aferente din sursă.
Dacă vă gândiţi la supra-specificarea sursei dumnea­voastră de tensiune datorită lipsei de înţelegere a necesităţilor sistemului, a parametrilor alimentării, sau numai ca să fiţi liniştiţi, chiar nu este nevoie să procedaţi aşa.
Ca în multe alte decizii inginereşti, puteţi specifica ce aveţi nevoie şi nimic mai mult, odată ce aţi înţeles priorităţile proiectului şi piaţa lui, precum şi echilibrul alegerilor făcute în proiect.

www.n2power.com

Don Knowles s-a alăturat N2Power ca VP Engineering în urmă cu 12 ani după

mai mult de 20 de ani de experienţă în electronică de putere şi fabricaţie industrială, ICT sectoarele de electronică medicală. Înainte de a se alătura N2Power, el şi-a condus propria afacere timp de 20 de ani, proiectând surse de tensiune şi sarcini de mare putere AC şi DC, având contracte cu producători. Don deţine o diplomă în electronică la American River College, Sacramento, California, USA.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre