Sprawność

Nowoczesne zasilacze impulsowe przełamują wiele barier, jeśli chodzi o sprawność konwersji energii. Coraz mniejsze straty przetwarzania w największym stopniu są widoczne w modułowych przetwornicach DC/DC, jakie stanowią kluczowy element systemów zasilania o zdecentralizowanej strukturze. Zasilacze takie montuje się w bezpośrednim sąsiedztwie zasilanych urządzeń, którymi najczęściej są złożone układy cyfrowe, zasilane niskimi napięciami i pobierające prąd o dużym natężeniu.

Duża sprawność jest w takim przypadku warunkiem koniecznym do tego, aby możliwe było sprostanie konieczności miniaturyzacji, gdyż tylko w takim przypadku daje się zamknąć konwerter w małej obudowie. Efektywne przetwornice, które rozpraszają mało ciepła, pozwalają na elastyczną rozbudowę systemu, który przez cały czas może być zasilany z jednego przetwornika magistralowego.

Sprawność konwerterów DC/DC bez izolacji galwanicznej między wejściem a wyjściem przekracza 90%, a w niektórych przypadkach osiąga nawet 95%, co niewątpliwie jest bardzo dobrym rezultatem. Co więcej, wartości te z roku na rok powoli rosną, bardzo blisko zbliżając się do granicy teoretycznej, co dobitnie pokazuje, jak skomplikowane problemy muszą rozwiązywać firmy zajmujące się produkcją takich komponentów.

Wiadomo, że każdy procent sprawności jest w uzyskaniu znacznie trudniejszy niż jak poprzedni, a skala problemów rośnie wykładniczo. W takich układach nawet zwykły rezystor pomiarowy, za pomocą którego mierzy się prąd płynący przez tranzystor mocy, jest źródłem strat energii, które trzeba eliminować.

Podobnie, jak w przypadku zasilaczy AC/DC przeznaczonych do współpracy z siecią energetyczną, konwertery DC/DC pracują z coraz szerszym zakresem napięć zasilania. W ich przypadku jest on definiowany jako rozpiętość dopuszczalnych napięć wejściowych, od 2:1 do nawet 10:1. W przypadku pierwszej wartości oznacza to np. zakres 12-24V, a w przypadku tej drugiej, że dopuszczalne napięcie wejściowe może zawierać się w bardzo szerokim zakresie 5-50V. Szeroki zakres napięć wejściowych pozwala na zasilanie urządzenia z wielu źródeł, a w przypadku systemów zasilania rozproszonego, na wygodne i elastyczne łączenie jego poszczególnych fragmentów w kaskady stopniowo obniżające wysokie napięcie magistralowe.

Konwertery DC-DC oraz zasilacze impulsowe stały się nieodłącznym czynnikiem urządzeń przemysłowych, systemów embedded i innych systemów elektroniki profesjonalnej. Zasilacze takie charakteryzują się pracą w szerokim zakresie temperatur pracy, dość mocno wykraczającym poza typowy margines 0-50°C, szczelną obudową oraz wysoką kompatybilnością elektromagnetyczną.

Poprawa parametrów środowiskowych w naturalny sposób wiąże się ze wzrostem sprawności przetwarzania energii, gdyż w większości przypadków sprowadza się to do zamknięcia zasilacza w szczelnej i odpornej na narażenia obudowie.

Korektor współczynnika mocy

Mimo że raport zajmuje się zasilaczami o mocy do 50W, w niektórych konstrukcjach zasilaczy AC/DC pojawia się korektor współczynnika mocy (PFC – Power Factor Correction). Blok ten powoli staje się znakiem nadchodzącego nowego podejścia do systemów zasilających oraz również wynika z tego, że po prostu zasilaczy w naszym otoczeniu jest już bardzo dużo.

Do niedawna korekcja kształtu prądu pobieranego przez zasilacz, tak aby miał on sinusoidalny kształt i był w fazie z napięciem wejściowym, dotyczyła jednostek o większej mocy, jednak w miarę upływu czasu korektor pojawia się w rozwiązaniach mniejszych. Impulsowy kształt pobieranego prądu z sieci energetycznej przez klasyczne zasilacze impulsowe staje się problemem w dużych systemach np. telekomunikacyjnych lub przemysłowych, gdzie wiele jednostek pracujących równolegle powoduje niepotrzebnie zwiększone zapotrzebowanie na moc zasilania (zob. ramka „Korektor współczynnika mocy – korzyści”).

O ile zalety jego stosowania są bezsprzeczne i wpisują się w trend zainteresowania jakością dostarczanej energii elektrycznej, to niewątpliwie z uwagi na większe koszty, póki co jest to blok opcjonalny. Pewnym kompromisem w przypadku zasilaczy o małej mocy może być pasywny korektor PFC. Pod tą nazwą kryje się po prostu rozbudowany filtr LC, którego zadaniem jest wygładzenie (odfiltrowanie) impulsów prądu pobieranych przez zasilacz z sieci energetycznej.

Filtr taki nie zapewnia pełnej korekcji, ale w przypadku zasilaczy o małej mocy nawet ten częściowy proces może okazać się skuteczny. Pasywny korektor PFC znakomicie poprawia też kompatybilność elektromagnetyczną zasilacza, a w szczególności obniża poziom emisji zaburzeń przewodzonych do sieci.

Zmniejsza też narażenie układów elektronicznych wewnątrz zasilacza na przepięcia pochodzące z sieci, które są skutecznie tłumione za pomocą dużych reaktancji elementów wchodzących w skład filtru. Niestety wadą tego rozwiązania jest spora waga elementów korektora wymaganych do skutecznej pracy przy częstotliwości sieci, co niestety zawęża zakres aplikacji i niweczy jedną z większych zalet zasilacza impulsowego, czyli niewielką wagę.

Nowinki

Podobnie jak w wielu innych dziedzinach, kolejne generacje zasilaczy impulsowych pojawiające się na rynku są wyposażane w nowe funkcje pozwalające na lepsze dopasowanie ich do wymagań nakładanych przez współczesne aplikacje.

Jedną z takich popularnych opcji jest niewątpliwie zdolność do chwilowego przeciążenia zasilacza, która pozwala przez niedługi czas pobierać moc znacznie większą od znamionowej. Cecha ta uwalnia od konieczności zapewnienia dużej nadmiarowości zasilacza wymaganą np. do rozruchu silnika, co jest niekorzystne z punktu widzenia ekonomicznego.

Zasilacz klasyczny dopasowany bez zapasu mocy na rozruch nie zawsze sprawdza się w takiej sytuacji, gdyż uaktywniają się jego układy zabezpieczeń, co może prowadzić do niestabilności. Kolejną popularną funkcją użytkową jest zdalne sterowanie włączeniem i wyłączeniem zasilacza, które pozwala na rezygnację z klasycznego włącznika umieszczonego na przewodzie sieciowym.

Szeroki zakres dopuszczalnych napięć wejściowych zasilacza daje z kolei możliwość kontrolowanego wyłączenia zasilanego urządzenia, na przykład przez zapisanie aktualnego stanu w pamięci nieulotnej, tuż po zaniku napięcia zasilającego.

Przerwa w dopływie energii jest sygnalizowana przez zasilacz natychmiast po zaniku za pomocą specjalnego sygnału, podczas gdy zgromadzona w kondensatorze filtrującym napięcie sieciowe energia wystarcza do zasilania urządzenia przez kolejne kilkaset milisekund. Mimo że czas ten wydaje się niewielki, dla większości urządzeń takich jak sprzęt AGD, systemy komputerowe lub telekomunikacyjne okazuje się wystarczający.

Zasilacze ukierunkowane na zastosowania przemysłowe, takie które działają w ramach większych systemów, wyposaża się w szeregowe magistrale cyfrowe, za pomocą których można programować charakterystyczne wartości związane z napięciem wyjściowym zasilacza oraz progowe wartości układów zabezpieczeń. Magistrala cyfrowa pozwala również na monitorowanie pracy źródła, co jest szczególnie przydatne w rozbudowanych instalacjach o rozproszonej strukturze, gdzie nie zawsze jest dostęp do zamontowanego urządzenia w sposób bezpośredni.

Nowe rozwiązania zasilaczy bez problemu radzą sobie z pracą w połączeniu równoległym. O ile w przypadku zasilaczy większej mocy takie połączenie jest zazwyczaj rozwiązaniem pomagającym uzyskać większą moc wyjściową, o tyle w przypadku zasilaczy o małej mocy najczęściej chodzi o niezawodność zasilania.

Równoległe połączenie dwóch zasilaczy jest w stanie radykalnie poprawić dostępność napięcia zasilającego i taki sposób pracy wykorzystuje się w krytycznych miejscach systemów przemysłowych lub militarnych, tym bardziej że nie jest to sposób drogi i kłopotliwy w użyciu. Za niedostatecznie znaną, a na pewno niedocenianą, jeśli chodzi o możliwości, należy uznać wejście synchronizacji pracy stopnia mocy zasilacza sygnałem zewnętrznym. Możliwość ta sprawdza się w większych systemach i instalacjach, pozwalając ograniczyć generowane zaburzenia elektromagnetyczne, a w przypadku zasilaczy DC/DC rozłożyć w czasie chwilowy pobór mocy ze źródła zasilającego.

Konwertery DC/DC

Konwertery DC-DC wykonywane w miniaturowych obudowach są niewątpliwie podzespołami, które w ostatnich latach bardzo szybko zyskały na rynku dużą popularność i obecnie są one dostępne w ofertach wielu dostawców. Jedną z najważniejszych przyczyn tego zjawiska jest wykrystalizowanie się standardów obudów i wyprowadzeń, które uczyniły z nich produkt w dużej mierze niezależny od producenta, a firmom dały możliwość kupowania tych zasilaczy z wielu źródeł. Oczywiście proces ten doprowadził do spadku cen, co dodatkowo przyspieszyło upowszechnienie się tych komponentów.

Popularność rynkową modułowych zasilaczy DC-DC napędzają zmiany w samej elektronice, w której większość systemów o dużej złożoności wymaga wielu napięć zasilających, w tym kilku napięć o bardzo niskich wartościach rzędu 1V i bardzo dużych prądach. Trend ten powoduje, że konstrukcja konwerterów DC-DC bardzo szybko się zmienia, szczególnie komplikuje się ich wewnętrzna konstrukcja układowa. W zasadzie można pokusić się o stwierdzenie, że pojawiające się kolejne generacje tych zasilaczy są podobne do siebie jedynie z zewnątrz.

Niskie napięcie wyjściowe i duży prąd wyjściowy wymuszają stosowanie konwerterów wielofazowych, które od strony elektrycznej przypominają kilka zasilaczy połączonych równolegle. Zasilacze o wyższym napięciu korzystają z prostowników synchronicznych, które wykorzystują tranzystory MOSFET do prostowania napięcia wyjściowego zamiast zwykłych diod.

Wiele zmian konstrukcyjnych wynika również z konieczności zwiększenia sprawności przetwarzania energii, bez której nie dałoby się utrzymać wysokiego stopnia upakowania elementów w obudowie oraz pracy w szerokim zakresie temperatur. Zwiększenie sprawności konwerterów powoduje, że producenci muszą stosować bardziej złożone układowo konstrukcje, gdyż walczą o każdy wat mocy strat.

Konwertery DC-DC występują na rynku w dwóch wersjach – z izolacją galwaniczną między wejściem i wyjściem oraz bez izolacji. Ten podstawowy podział wynika w dużej części z przeznaczenia i wymagań nakładanych przez docelową aplikację, jak również z założeń dwóch najpopularniejszych architektur zasilania rozproszonego.

Zasilanie urządzenia z sieci wymaga zapewnienia separacji obwodów wejściowych i wyjściowych, przez co najprościej byłoby do zasilania użyć konwertera z izolacją zdolnego do pracy z wysokim, kilkuset woltowym napięciem wyjściowym. Takich podzespołów nie ma i z wielu różnych przyczyn nie będzie, dlatego architektury zasilania rozproszonego bazują na jednym wydajnym zasilaczu z izolacją, do którego wyjść dołącza się wiele konwerterów DC-DC bez izolacji – tzw. IBA – Intermediate Bus Architecture.

W konkurencyjnym rozwiązaniu DPA – Distributed Power Architecture, główny zasilacz nie jest separowany, natomiast modułowe konwertery już tak. Te dwa różne podejścia wspierane są przez wielu producentów, którzy mają w ofertach wyspecjalizowane produkty pasujące do siebie, tak aby stworzyć wydajny system zasilania.

Trudno jednoznacznie stwierdzić, które rozwiązanie budowy systemu zasilania jest lepsze lub docelowo zdominuje rynek. Najprawdopodobniej kwestie techniczne zostaną odsunięte na drugi plan i o powodzeniu rynkowym, jak w wielu innych dziedzinach i produktach, zdecydują czynniki ekonomiczne. A one sprzyjają konwerterom DC-DC w wersji bez izolacji. Elementy te mają nieco prostszy sterujący układ elektroniczny, a przede wszystkim łatwiejszy w wykonaniu i tańszy główny element indukcyjny, który zamiast klasycznego transformatora może być po prostu dławikiem.

Asortyment dostępnych na rynku konwerterów DC-DC jest bardzo duży, gdyż produkty te występują w wielu wykonaniach, jeśli chodzi o napięcie wejściowe, wyjściowe i moc maksymalną. Do tego dochodzą różnice związane z wykonaniem: stabilizacją napięcia wyjściowego, dopuszczalnym zakresem zmian napięć, jakością izolacji, zakresem temperaturowym pracy i wieloma innymi. Tworzy to szeroką przestrzeń, w której swoje miejsce na rynku znalazło wielu producentów.