Повышение эффективности источников питания AC/DC

Используя вентилятор для принудительного охлаждения, можно значительно снизить габариты источника питания. Применение вентиляторов позволяет сократить общий объем типового устройства на треть или даже наполовину. Однако у такого подхода имеется большой недостаток — шум вентилятора, который, например, может мешать врачам и раздражать пациентов медицинских центров.
К тому же добавление вентилятора значительно снижает надежность всей системы, поскольку он станет единственным движущимся элементом в источнике питания.
Уменьшение количества компонентов позволяет снизить размеры и стоимость устройств, но и в этом случае существуют определенные ограничения, т.к. всегда приходится искать компромисс при защите устройств от электромагнитных и высокочастотных помех, при обеспечении электромагнитной совместимости и т.д, а также при решении проблем, связанных с выделением тепла и излучений. Также невозможно уйти от проблем обеспечения электробезопасности. И, наконец, необходимо соблюдать экологические требования.
Прорывные технологии, которые обеспечили бы создание новых источников питания, появляются крайне редко — наибольшую роль в этом отношении играет совершенствование методов изготовления силовых полупроводниковых компонентов, за которым следует улучшение характеристик магнитных материалов и конденсаторов.

Площадь доступной для охлаждения поверхности является ограничивающим фактором, определяющим количество отводимого тепла от источника питания с конвекционным охлаждением, для которого не требуются вентиляторы. Отсюда следует, что чем более эффективен источник питания, тем меньше он выделяет тепла, которое необходимо отводить, и тем меньше само устройство.
Даже небольшое изменение эффективности может оказать существенное влияние на рабочие характеристики всей системы. Например, при использовании нового источника питания с КПД = 95% взамен старого с КПД = 90% необходимо отвести в два раза меньше тепла, чем в случае с менее эффективным аналогом. Так, при использовании 250-Вт источников питания эта разница по отводимому теплу составит 14,6 Вт.
Поскольку портативным устройствам приходится работать в очень разных условиях, где не всегда доступно сетевое напряжение 110 или 230 В, к их источникам питания предъявляются различные требования. В некоторых случаях требуется обеспечить определенную эффективность в заданном диапазоне входных напряжений, например, при низких уровнях сетевого напряжения в диапазоне 85…90 В. Для выполнения этой задачи не все источники питания одинаково хорошо подходят.
На эффективность источников питания также существенное влияние оказывает нагрузка. Большинство источников питания работает с максимальной эффективностью при полной номинальной нагрузке. Разработчикам всегда следует выяснять, какая эффективность источника питания необходима для каждого конкретного приложения.
Повышение частоты переключения преобразователя позволяет снизить размеры магнитных компонентов и конденсаторов. Однако с ростом частоты повышаются и потери на переключение из-за потерь в сердечниках компонентов с обмотками и из-за увеличения резистивных потерь в медных проводах, что частично объясняется скин-эффектом. На рисунке 1 показана зависимость КПД от частоты переключения для типовых 200-Вт источников питания, позволяющая выбрать компромиссное решение.

Рис. 1. Поняв, как уменьшение размеров компонентов и увеличение частоты переключения отражается на эффективности, можно найти компромисс между КПД, частотой, надежностью, сроком службы, способом охлаждения и стоимостью источника питания при заданном уровне мощности

Самые лучшие на сегодняшний день 250-Вт источники питания с конвекционным охлаждением могут работать с КПД выше 90% в диапазоне входных напряжений 90…240 В переменного тока. Этот уровень эффективности необходимо сохранить в пределах промышленного стандарта, не забывая о соответствующем отводе тепла без применения охлаждающих вентиляторов и больших внешних радиаторов.
КПД выше 90% достижим только при исключении потерь на переключение в корректоре коэффициента мощности (ККМ), в сетевых преобразователях, а также в выпрямителях. На рисунке 2 показана схема 250-Вт источника питания AC/DC с КПД до 95% при подаче на вход переменного напряжения 240 В и 92% — при напряжении 90 В.

Рис. 2. При подаче на вход переменного напряжения 240 В КПД этого 250-Вт источника питания AC/DC достигает 95%

Изначально основной целью разработки данных источников питания было обеспечение высокой эффективности. Именно поэтому для каждого каскада был определен бюджет по потерям соответствующий выбор схемы. Таким образом, экономя на каждом милливатте бесполезного рассеяния, удалось добиться минимальных потерь мощности в каждом каскаде. Например, во входном фильтре источника питания (см. рис. 2) используются провода для обмоток с очень низким сопротивлением, что обеспечивает снижение тепловых (I2R) потерь в дросселях.
Используемый в данной схеме двухкаскадный фильтр для борьбы с электромагнитными помехами (EMI-фильтр) характеризуется высокой магнитной проницаемостью сердечника, что необходимо для ослабления шумов переключения и минимизации потерь мощности. Другими компонентами фильтра являются конденсаторы X и Y. Ток утечки на землю конденсатора Y не превышает 300 мкА, что соответствует нормам самого распространенного медицинского стандарта UL60601-1.
Квазирезонансный корректор коэффициента мощности, характеризующийся отсутствием потерь, работает в режиме прерывистых токов. Его рабочая частота составляет 30…500 кГц, обеспечивая переключение в момент перехода тока через нуль (ZCS) во всем заданном диапазоне входных напряжений и нагрузок. Это очень важный момент, поскольку при этом переключение напряжения происходит в моменты, когда ток действительно равен нулю, что устраняет потери на переключение.
Сетевые преобразователи, реализованные по резонансной полумостовой схеме, работают на фиксированной частоте в режиме ZCS, позволяющем устранять потери на переключение. На плате также установлены два трансформатора, объединение которых позволяет уменьшить тепловые потери при переключении по сравнению с использованием одного большого трансформатора.
Два преобразователя работают на частоте 51,2 кГц, но у одного из них фаза выходного сигнала смещена на 90° относительно другого. Комбинирование таких выходных сигналов позволяет снизить пульсации и удвоить их частоту (см. рис. 3), что, в свою очередь, дает возможность вдвое уменьшить значение емкости, а, значит, размеры выходных конденсаторов фильтра.

Рис. 3. Комбинирование выходных сигналов двух преобразователей, фазы которых смещены друг относительно друга на 90°, понижает уровень пульсаций и удваивает их частоту

Контур обратной связи отслеживает выходной сигнал источника питания и изменяет напряжение повышающего преобразователя, который, в свою очередь, изменяет напряжение на входе сетевого преобразователя. Основное назначение повышающего преобразователя заключается в повышении постоянного напряжения приблизительно с 380 до 420 В. Такой способ регулирования позволяет оптимизировать схему сетевых преобразователей для достижения заданной точности параметров напряжения, что является еще одним способом повышения эффективности.

Применение в выходном каскаде синхронного выпрямителя вместо обычных диодов позволяет значительно снизить потери мощности. Для реализации ZCS-режима требуется точная синхронизация работы повышающего преобразователя, сетевых преобразователей и синхронных выпрямителей. Для этого используется кварцевый тактовый генератор и цепь делителя для настройки заданной частоты переключения. Такой подход является ключевым для организации эффективной работы синхронных выпрямителей, особенно при высоких выходных напряжениях. Данная архитектура источников питания позволяет добиться высокой эффективности в широком диапазоне нагрузок и входных напряжений (см. рис. 4).

Рис. 4. Режим переключения ZCS и использование резонансных преобразователей обеспечивают высокую эффективность в широком диапазоне входных напряжений и нагрузок, а не только при полной нагрузке

Режим ZCS также позволяет снизить потери на конвекцию и тепловое излучение, а также добиться малых выходных пульсаций и помех. Рассмотренный выше источник питания в 20- МГц полосе частот характеризуется размахом пульсаций и шумов менее 90 мВ, что ниже предела уровня В, определенного в EN55011 для конвекции и тепловых излучений. Оптимизация механической конструкции позволяет минимизировать размеры и улучшить теплоотвод.

Оптимизация механической конструкции дает возможность существенно улучшить тепловые характеристики источника питания. Это необходимо для исключения мест перегрева и обеспечения наилучшего обдува нагреваемых компонентов.
Объединение современных проектных технологий и оптимизированных механических конструкций позволило создать источники питания с КПД до 95%, что было невозможно еще несколько лет назад.
Дальнейшее улучшение эффективности труднодостижимо. Однако большие надежды возлагаются на то, что многолетний опыт специалистов в улучшении схем источников питания и совершенствовании полупроводниковых технологий позволит сделать невозможное.