Czy warto walczyć o każdy procent sprawności w zasilaczu?

Rys. 1. Architektura systemu zasilającego tradycyjnego z szyną pośrednią o napięciu około 48 V wraz ze stratami mocy w poszczególnych obwodach

Podstawowe parametry jednostki zasilającej związane są z konwersją energii elektrycznej, czyli jest to zakres napięć wejściowych, napięcia wyjściowe, moc, sprawność itd. Niemniej nowoczesne jednostki zasilające nie różnią się między sobą istotnie w tych podstawowych parametrach, praktyczne wszystkie akceptują napięcie wejściowe zmieniające się w ich granicach, zapewniają wysoką sprawność, dobrą stabilizację napięcia wyjściowego, dobre tłumienie zaburzeń elektromagnetycznych itd.

Co więcej, zasilacze są dzisiaj towarem standardowym, kupowanym jako gotowe jednostki dostępne w handlu z półki, przez co nie zaprzątają tak uwagi inżynierów jak dawniej. Gdzie zatem kryją się różnice? Największe z pewnością ukryte są w procentach charakteryzujących sprawność. W miarę jak efektywność przetwarzania energii się zwiększa, dalsze zmiany są coraz trudniejsze.

Powiększenie sprawności z 85% do 90% jest znacznie prostsze niż z 90% do 95%, mimo że bezwzględna różnica jest taka sama. Często jedna jednostka ma 86% sprawności, a inna 88%. Wydaje się, że to niewiele. Niemniej ponieważ pewnych strat po prostu nie da się uniknąć, każdy kolejny procent sprawności staje się ogromnym wyzwaniem technicznym dla konstruktorów.

Inżynier projektujący system zasilający ma oczywiście do dyspozycji dokumentację techniczną i może wybierać pomiędzy różnymi zasilaczami dostępnymi na rynku, ma w ten sposób pewien stopień swobody w jego kształtowaniu, także w zakresie strat energii, jakie wystąpią. Ale mało kto wie, że poza doborem konwertera spory wpływ na całkowitą sprawność systemu zasilającego ma dobrze dobrana architektura.

Przykład z telekomunikacji

Rys. 2. Architektura systemu zasilającego z szyną pośrednią o stałym napięciu 54 V wraz ze stratami mocy w poszczególnych obwodach

Infrastruktura telekomunikacyjna i informatyczna, która zwykle montowana jest w przemysłowych szafach technicznych, pozwala na łatwe zaobserwowanie wspomnianych zagadnień w praktyce. Systemy zasilające, ich organizacja i wykonanie, zmieniały się na przestrzeni, razem z kartami, modułami i standardami systemów, które były przez nich zasilane. W większości przypadków dostępne napięcie sieci energetycznej 230 V_AC jest w nich konwertowane do pośredniej wartości 48 V, które następnie jest rozprowadzane do poszczególnych podsystemów w całej obudowie.

Odbiorniki takie jak karty systemowe są w stanie przetworzyć to napięcie na potrzebne do pracy wartości i na wejściu korzystają zawsze z tego napięcia. W nowszych architekturach rozkłada się to na dwa etapy przekształcania za pomocą nieizolowanego konwertera buck/boost i dołączonego za nim konwertera DC-DC ze stałym współczynnikiem podziału napięcia wejściowego do wyjściowego.

Dwa stopnie konwersji zamiast jednego na pierwszy rzut oka wydają się krokiem wstecz i sprzecznością w stosunku do przedstawionych powyżej rozważań, ale jak się okazuje, wypadkowa sprawność konwersji energii jest lepsza niż dla rozwiązania z pojedynczą przetwornicą. Co więcej, w zależności od konkretnych uwarunkowań, jak pobory prądu przez poszczególne podsystemy oraz oporności przewodów połączeniowych i ścieżek, inżynier projektant systemu ma możliwość tworzenia różnych kombinacji napięcia szyny i konwerterów, aby uzyskać satysfakcjonujące rozwiązanie charakteryzujące się minimalnymi stratami.

Kluczowym komponentem tego rozwiązania jest konwerter DC-DC o stałym stosunku napięcia wyjściowego do wejściowego, nazywany też zwielokrotniaczem prądu lub transformatorem DC. Działa on z wysoką sprawnością rzędu 93% pozwalającą na 7 cm² płytki zrealizować zasilacz dostarczający nawet 100 A.

W rozwiązaniu z dwoma konwerterami ważnym krokiem jest to, że napięcie szyny pośredniej musi wynosić koniecznie i bez względu na okoliczności dokładnie 48 V, a nie jak w starszych systemach "około 48 V". Przy takim założeniu pierwsza przetwornica, ta zlokalizowana blisko odbiornika energii, może zostać zoptymalizowana do pracy ze stałym napięciem wejściowym. Pozwala to sporo ograniczyć straty przetwarzania. Oczywiście nie zawsze musi to być 48 V, byleby tylko była to wartość stała.

Rys. 3. Przykładowy schemat blokowy złożonego systemu zasilającego bazującego na modułowych konwerterach o wysokiej sprawności

Systemy zasilające z szyną o napięciu około 48 V były konsekwencją tego, że wykorzystanie ich w systemach telekomunikacyjnych wiązało się z koniecznością zapewnienia wysokiej dostępności i realizacji zasilania bezprzerwowego. Stąd do szyny 48 V były dołączane akumulatory lub generator spalinowy podtrzymujące zasilanie przy awarii sieci. Napięcie wyjściowe z takich źródeł nie było stabilizowane i system zasilający musiał być odporny na fluktuacje wartości nominalnej 48 V.

W proponowanym rozwiązaniu konwerter przetwarzający bezpośrednio napięcie sieci dostarcza na wyjściu napięcia stabilizowanego, stąd zastąpienie konwerterów drugiego stopnia, umieszczonych na kartach, wersjami zoptymalizowanymi do pracy ze stałym napięciu wejściowym z punktu widzenia sprawności systemu jest korzystne.

Przykładowa analiza wskazuje, że w stosunku do najgorszego przypadku, nowe podejście ze stabilizowanym napięciem 48 V może przynieść nawet 60% redukcji strat w okablowaniu i rezystancji połączeń na PCB oraz jest w stanie poprawić o 3,5% sprawność przetwarzania całego systemu dla najgorszego przypadku, gdy napięcie szyny pośredniej wyniesie tylko 36 V zamiast 48 V. W przypadku systemów telekomunikacyjnych dużej mocy 3,5% oszczędności należy uznać za wartość dużą.

W przypadku zasilania kart interfejsów telekomunikacyjnych i układów front-end pracujących z dużymi szybkościami przesyłu danych proponowane rozwiązanie zapewnia też większą stabilność działania. Zdolność do tolerowania niestabilizowanego napięcia 48 V była przez wiele lat postrzegana jako zaleta, bo pozwalała łączyć w ramach jednego systemu nowe i stare rozwiązania, co było skutkiem nieustannych modernizacji wynikających z postępu technicznego. Dzisiaj ten aspekt stracił na znaczeniu, bo już nie wymienia się kart komunikacyjnych na szybsze, tylko całe systemy. Uniwersalność nie jest już zatem wielką wartością w projektowaniu systemów zasilania.

Korzyści dodatkowe

Nawet jak system zasilający zostanie kompletnie wymieniony na nowy, dostępna moc z sieci energetycznej, jaka jest do dyspozycji w obiekcie, zwykle się nie zmienia. Większa sprawność konwersji energii to także sposób na to, aby zwiększyć wydajność przetwarzania bez konieczności przebudowy instalacji. Na koniec warto zauważyć, że konwertery POL instalowane blisko odbiorników energii im mają większą sprawność, tym w mniejszym stopniu wpływają negatywnie na bilans cieplny systemu.

Grzejący się, obciążony obliczeniami procesor potrafi pobrać nawet 100 A przy napięciach rzędu 1 V. Tak duży prąd obciąża ścieżki połączeniowe i generuje zaburzenia, bo co chwilę się zmienia w szerokim zakresie w takt realizowanych obliczeń. Im konwerter jest bliżej procesora, tym więc lepiej, ale aby go przysunąć na płytce dostatecznie blisko, nie może on podgrzewać procesora. Dlatego im większa sprawność systemu zasilania, tym projektanci mają więcej swobody konstrukcyjnej.

Steve Oliver, Vicor
SE Spezial Electronic Sp. z o.o.
www.spezial.pl