Zasilacze a obciążenie szczytowe

| Energetab 2019

Wybór zasilacza AC/DC dla systemów wymagających obciążenia szczytowego o mocy wyższej niż nominalne wymagania, może skutkować wyższym kosztem wyboru takiego produktu niż jest to w rzeczywistości konieczne, zwiększając jednocześnie koszt całej aplikacji końcowej.

Zasilacze a obciążenie szczytowe

W tego typu zastosowaniach średnia moc pobierana przez urządzenie jest znacznie niższa niż szczytowe zapotrzebowanie, co przy zachowaniu ostrożności może przynieść wymierne oszczędności m.in. w wielkości produktu i kosztach, bez uszczerbku dla niezawodności lub żywotności systemu. Użycie zasilacza, który może obsługiwać obciążenie szczytowe, ale o niższej ciągłej mocy znamionowej, skutkuje fizycznie mniejszym zasilaczem, zmniejszając dzięki temu rozmiar, wagę i koszt aplikacji. Jednakże zasilacz taki musi zostać odpowiednio oceniony pod względem elektrycznym i termicznym, aby bezpiecznie sprostać szczytowemu zapotrzebowaniu.

Aplikacje wymagające wyższych prądów szczytowych zwykle zawierają elementy elektromechaniczne, takie jak głowice drukujące, pompy, silniki i napędy. Produkty te znajdują swoje zastosowanie w automatyce przemysłowej, urządzeniach medycznych, robotyce, elektronarzędziach i drukarkach, a ich średnie zapotrzebowanie na moc jest znacznie niższe niż szczytowe.

Wykorzystać istniejące możliwości

Obciążenie szczytowe można scharakteryzować na wiele różnych sposobów. Zasilacz przystosowany do szczytowego obciążenia przy cyklu pracy od 10 do 15% przez 30 s, które jest nieco poniżej limitu zabezpieczenia nadprądowego (OCP). OCP (Over Current Protection) jest zwykle ustawiany na około 20 do 30% powyżej wartości znamionowej prądu ciągłego. Wykorzystanie zapasu od OCP do obsługi szczytowego zapotrzebowania na moc skutkuje niższym kosztem pod warunkiem, że średnie na moc jest poniżej maksymalnej ciągłej wartości znamionowej.

Zasilacz o mocy 1200 W może być w stanie zapewnić nawet 1500 W ciągłej mocy przy zasilaniu napięciem sieciowym ponad 180 VAC. Jest to spora zaleta zwłaszcza gdy można podłączyć go pod napięcie międzyfazowe, np. gdy nominalne zasilanie jednofazowe jest niskie.

Innym pomysłem jest użycie zasilacza o topologii i charakterystyce termicznej, zaprojektowanego do obsługi wysokich szczytowych obciążeń elektromechanicznych. Takie jednostki mogą dostarczać nawet dwukrotność mocy nominalnej przez 10 s lub dłużej z cyklami pracy do 35%. Modułowy system zasilania fl eXPower jest jednym z przykładów, który oferuje kilka standardowych wyjść obok jednego, które zapewnia duży prąd szczytowy.

Zasilacze o podwójnej mocy znamionowej

Często pomijane przy rozważaniu obciążeń szczytowych są zasilacze o chłodzeniu konwekcyjnym i wyższej wartości znamionowej przy chłodzeniu za pomocą wentylatora. Często zdarza się, że dysponują one mocą nawet o 50% wyższą, gdy są chłodzone wentylatorem w porównaniu do rozwiązań chłodzonych konwekcyjnie.

Takie produkty są naturalnie oceniane elektrycznie dla wyższej mocy znamionowej i termicznie przy chłodzeniu konwekcyjnym. Są to dokładnie te cechy, których potrzebujemy w zastosowaniach z obciążeniem szczytowym, w których obciążenie szczytowe nie przekracza wartości znamionowej wydajności chłodzenia wentylatora, a średnie obciążenie jest niższe niż wartość konwekcji, bez uciążliwego hałasu.

Im większa różnica między wartością znamionową mocy przy chłodzeniu wymuszonym i konwekcyjnym, tym krótsza jest zdolność do pracy ze zwiększonym obciążeniem, dlatego ważne jest niedopuszczenie do przegrzewania komponentów w tym czasie.

Szacunki żywotności

W specyfikacji zasilaczy zazwyczaj określa się również oczekiwania dotyczące żywotności w oparciu o kluczowe temperatury kondensatorów elektrolitycznych, umożliwiając potwierdzenie przydatności produktu na podstawie.

Wybierając taki zasilacz, kluczowymi parametrami są wymagana moc przeciążania, która nie może przekraczać znamionowej mocy chłodzenia, maksymalny czas trwania wartości szczytowej, cykl pracy i moc pobierana przez obciążenie podczas obciążenia w pozostałym czasie, aby zapewnić, że ciągłe konwekcyjne wartości znamionowe zasilania nie zostaną przekroczone.

Przykład

Poniższe szacunki oparte są na zasilaczu open-frame GCS250 firmy XP Power o mocy 250 W z chłodzeniem wymuszonym i o mocy 180 W przy chłodzeniu konwekcyjnym, w której wymagane jest obciążenie szczytowe 250 W przez 10 s co 40 s (cykl pracy 25%).

 
Rys. 1. Charakterystyka obciążenia zasilacza dla 10 s/40 s

Wymóg obciążenia szczytowego (Ppk) określa maksymalny pobór mocy w okresie poza szczytem, tak że średnia moc nie przekracza znamionowej wartości chłodzenia chłodzonego konwekcyjnie. W takim przypadku maksymalna dostępna moc w okresie poza szczytem (Po) wyniesie 156 W, aby nie przekroczyć znamionowej mocy chłodzonej konwekcyjnie (Pav) – rysunek 1: Pav = (Ppk × T1) + (Po × T2) / (T1 + T2).

Stosując ten sam wzór, jeśli cykl pracy zostanie zmniejszony o 15% lub 10 s co 67 s, wówczas moc szczytową można zwiększyć do 168 W bez przekraczania średniej mocy ciągłej konwekcji wynoszącej 180 W – rysunek 2.

 
Rys. 2. Charakterystyka obciążenia zasilacza dla 10 s/67 s

Obliczenia pokazują, że te warunki pracy nie wykroczą poza wartości znamionowe zasilacza. Jednak, jak wcześniej podkreślono, trzeba również wziąć pod uwagę temperatury kluczowych komponentów zasilacza, aby zapewnić bezpieczną, niezawodną pracę przez cały okres jego użytkowania. Wybór i ocena takiego produktu, opartego na łatwo dostępnych danych termicznych, zamiast jednego stale ocenianego dla pełnej mocy szczytowej daje mniejsze, lżejsze i tańsze rozwiązanie bez uszczerbku dla wydajności, niezawodności i żywotności aplikacji końcowej.

 

Gamma