Zasilanie dla elektroniki mobilnej i IoT

Współczesny zasilacz, a zwłaszcza ten wykorzystany do zasilania urządzeń mobilnych, to taki, którego budowa opiera się na najnowszych dostępnych na rynku technologiach konwersji energii, materiałach i komponentach. Z tym bywa różnie – wystarczy otworzyć obudowę, aby przekonać się, że wiele jednostek dostępnych na rynku to konstrukcje, w których takich nowinek się nie znajdzie. Powodów tego jest wiele, ale przede wszystkim chodzi o cenę, która jest ważnym kryterium wyboru produktu. Nowe komponenty i materiały zwykle są droższe od tych popularnych, dlatego musi minąć sporo czasu, zanim nowości trafią do wnętrza zasilaczy dostępnych w handlu. Można nawet pokusić się o stwierdzenie, że im zasilacz popularniejszy, tańszy i standardowy, tym jego wewnętrzna konstrukcja częściej opiera się na dojrzałych rozwiązaniach.

MINIATURYZACJA I DUŻA SPRAWNOŚĆ

Każda kolejna generacja zasilaczy wchodzących na rynek ma coraz większą sprawność, a w najlepszych jednostkach sięga ona 95‒96%. Wiele popularnych produktów konsumenckich o mocy wyjściowej rzędu 25 watów i napięciu 12 V ma dzisiaj sprawność rzędu 90% i jest to o min. 10% więcej, niż było dekadę temu. Wysoka sprawność to oszczędność energii zasilającej, a więc mniejsze rachunki oraz dłuższy czas pracy z akumulatora. Wysoko sprawny zasilacz mało się grzeje, a więc może też pracować w szerszym zakresie temperatur, a cała konstrukcja może być bardziej zminiaturyzowana, bo nie ma potrzeby rozpraszania tak dużej mocy cieplnej, robienia wentylowanej obudowy itd.

Wysoka sprawność oznacza często też małą awaryjność zasilaczy, a więc pośrednio wysoką jakość. Takie jednostki mało się grzeją, więc ich podzespoły nie są tak obciążone cieplnie (kondensatory elektrolityczne). Są mniejsze, a więc też mogą być tańsze w produkcji, bo nie potrzeba do nich dużych radiatorów. Także ograniczenia na moc wyjściową przy dużych temperaturach otoczenia stają się łagodniejsze. Wysoka sprawność zasilaczy lub konieczność korekcji współczynnika mocy przy dużej mocy wyjściowej jest ponadto dla coraz większej grupy produktów wymogiem prawnym.

W zakresie zasilaczy mniejszej mocy nowe zasilacze mają bardzo małą moc pobieraną bez obciążenia. Jest to parametr szczególnie ważny w jednostkach, które są podłączone do sieci przez cały czas i nie mają wyłącznika. Jest ona już mierzona w pojedynczych miliwatach, a producenci półprzewodników, czyli układów sterujących i zasilaczy, wkładają wiele wysiłku w to zagadnienie, co chwila bijąc rekordy oszczędności i ekologiczności.

Najważniejsze dla klientów cechy ofert brane pod uwagę przy kupowaniu systemów zasilania

 

Nowoczesne zasilacze są jednym z najważniejszych komponentów systemów, instalacji oraz urządzeń. Ich awaria oznacza całkowity brak działania, działanie nieprawidłowe (np. przez nieskuteczne zabezpieczenia) może spowodować wiele kaskadowych uszkodzeń dołączonych odbiorników. Coraz więcej klientów jest tego świadomych i wybiera dobre jednostki renomowanych firm, bo zależy im na jakości. Oczywiście cena zawsze jest ważna, tak samo jest w omawianej tematyce, gdzie kupujący starają się zbalansować cenę i jakość. Warto zauważyć, że w omawianej tematyce dość duże znaczenie ma krótki czas oczekiwania na dostawę oraz potwierdzenie parametrów przez certyfikaty.

NOWE WYMAGANIA EKOPROJEKTU I NORMA BEZPIECZEŃSTWA

Pierwszego kwietnia 2020 r. weszło w życie rozporządzenie Komisji Europejskiej nr 2019/1782. Jest ono bardzo ważne dla rynku zasilania, gdyż przynosi ono nową regulację w zakresie wymaganej minimalnej sprawności zewnętrznych zasilaczy impulsowych adapterowych, mocy pobieranej bez obciążenia i nakłada wymagania odpowiedniego oznaczania zasilaczy i prowadzenia ich dokumentacji technicznej. Wymogi są zgodne co do joty z amerykańskimi regulacjami DoE Level VI.

Nowością jest to, że regulacjami objęto także zasilacze wielonapięciowe, co zamyka furtkę do wprowadzania na rynek niskosprawnych jednostek, które miały dodatkowe wyjście wyłącznie po to, aby nie musieć spełniać norm. Wymagania związane z małą mocą pobieraną bez obciążenia (nie więcej niż 0,1 W) zamykają też rynek dla zasilaczy adapterowych bazujących na klasycznych transformatorach sieciowych. Rozporządzenie nakłada też dodatkowe obowiązki informacyjne na dostawców: materiały techniczne oraz opisy produktów muszą zawierać informacje o średniej (a nie maksymalnej jak do tej pory) sprawności podczas pracy, a także o sprawności przy 10-procentowym obciążeniu oraz zużyciu energii w stanie bez obciążenia. Zasilacze zewnętrzne o znamionowej mocy wyjściowej 10 W lub mniejszej są zwolnione z tego wymogu. Do tej pory takie dane były ukryte w kartach katalogowych, teraz muszą być prezentowane także w opisach drukowanych i podawanych w sklepach internetowych.

Aby tego nie było dosyć, 20 grudnia 2020 roku w życie weszły w życie nowe wymagania w zakresie oceny bezpieczeństwa użytkowania. Dotychczasową normę EN 60950-1 zastąpi IEC 62368-1 i ta nowa regulacja będzie stanowiła wzorzec oceny zasilaczy w przyszłości. Jednostki wprowadzane na rynek w przyszłym roku będą musiałby być z nią zgodne, co zmusi producentów do przeanalizowania konstrukcji i uaktualnienia dokumentacji. Nie wiadomo na razie, czy konieczne będzie wykonywanie dodatkowych badań zasilaczy będących w ofertach, czy jedynie wystarczy przegląd konstrukcji pod kątem nowej normy. To dlatego, że regulacja 62368 jest ukierunkowana na osiągnięcie pożądanych, całościowych wyników końcowych, a nie na wskazanie i opisanie sprzyjających temu wyróżnionych procesów, sposobów wytwarzania lub procedur. Nie ma ona też charakteru nakazowego jak poprzednie. Raczej pokazuje, jak identyfikować i klasyfikować źródła energii mogące stanowić zagrożenie, jak wybierać i stosować zabezpieczenia przed określonymi rodzajami energii stanowiącej zagrożenie, zamiast mówić "przerwa izolacyjna musi mieć minimum 4 mm". Bezsprzecznie dla rynku zasilania jest to duża zmiana.

Ważne i poszukiwane wersje

 

W zestawieniu poszukiwanych na rynku wersji jednostek zasilających nie ma dużych różnic pomiędzy poszczególnymi wierszami, co oznacza w praktyce brak wyraźnych preferencji w zakresie typu. To, że zasilacze modułowe w formacie ułamka cegiełki "brick" znalazły się na szczycie, to zapewne wynik tego, że mają one imponujące parametry techniczne w zakresie sprawności i gęstości mocy z jednostki objętości. Najsłabiej natomiast oceniono zasilacze adapterowe biurkowe, gdyż są one stosowane najczęściej w średniej wielkości sprzęcie konsumenckim. Wiele sprzętu, do którego zasilania nadają się takie jednostki, ma je wbudowanego do środka.

JAK POZNAĆ KIEPSKĄ KONSTRUKCJĘ ZASILACZA?

Tanie i kiepskie zasilacze z reguły wyglądają tak samo, jak te markowe i na pierwszy rzut oka odróżnienie dobrego od kiepskiego nie jest łatwe. Bez rozebrania jednostki niewiele można powiedzieć na temat jakości, więc jeśli ktoś planuje kupować zasilacze po to, aby używać ich w dłuższej perspektywie, na przykład do urządzeń produkowanych w seriach, powinien poświęcić przynamniej jedną sztukę na badania.

Ocenę warto zacząć od zbadania parametrów elektrycznych, a więc poziomów napięć bez obciążenia i z obciążeniem, pomiaru sprawności i tętnień w napięciu wyjściowym. W dalszym kroku można ocenić jakość użytej izolacji przez pomiar napięcia jej przebicia oraz prądu upływu.

Dalsze badania powinny być przeprowadzone pod pełnym obciążeniem w maksymalnej temperaturze otoczenia, po to, aby ocenić stopień nagrzewania się komponentów i obudowy. Tanie zasilacze z reguły bardziej się grzeją, bo producenci oszczędzają na przekrojach przewodów, wielkości rdzenia itd. Można też sprawdzić zdolność do startu zasilacza przy minimalnym napięciu zasilania, pełnym obciążeniu i dolnej temperaturze otoczenia (np. –25°C).

W kolejnym kroku pożądane jest obejrzenie płytki drukowanej zasilacza pod kątem tego, czy ma on wbudowane w PCB filtry, ochronniki przepięciowe oraz jakie ma kondensatory elektrolityczne i ile ich jest. Puste miejsca na płytce, zwory, braki radiatorów, krzywo położone elementy, brud na PCB, pojedynczy kondensator nieznanej firmy na wyjściu przetwornicy kilkunastowatowej to znak, że w przyszłości mogą być problemy. Inspekcja dotyczy też kabla wyjściowego, bo tanie zasilacze mają ten element o zbyt cienkim przekroju. Miedź jest droga, więc z reguły chińskie kable mają grubą izolację i cienką żyłę, a użyte tworzywo sztuczne zamienia na mrozie ten plastik w twardy jak skała i sztywny jak drut polimer.

Istotne nowości w obszarze zasilania małej mocy

 

Najważniejszy trend rozwojowy dla branży zasilania to miniaturyzacja. Coraz lepsze komponenty, materiały magnetyczne, technologie konwersji energii zapewniają wysoką sprawność, a więc w konsekwencji możliwość upakowania układu elektronicznego konwertera w mniejszej obudowie. Miniaturowy, wysoko sprawny zasilacz to synonim nowoczesności, postrzegany jako rozwiązanie niezawodne oraz także tańsze (mniej materiałochłonne). Szeroki zakres napięć wejściowych to domena konwerterów DC- DC do zasilania rozproszonego, a wzmocniona izolacja to pokłosie ogólnie rosnącego zainteresowania bezpieczeństwem.

CO TO ZNACZY DOBRY ZASILACZ?

Na zasadzie przeciwieństwa, dobry zasilacz to taki, którego pomiary i inspekcja wnętrza nie zapalają w inżynierskiej głowie czerwonych lampek ostrzegawczych, taki, co się nie grzeje, ma wszystkie elementy decydujące o ochronie (MOV, filtry), dobre kondensatory i adekwatne do prądu wyjściowego przekroje przewodów nawojowych oraz kabli wyjściowych.

Poza tym minimum dobre zasilacze zawsze mają jakąś dodatkową funkcjonalność, która przynajmniej odrobinę wysuwa je poza rynkową średnią. Są to na przykład zabezpieczenia wyjścia przed odwrotną polaryzacją, blokada możliwości niekontrolowanego wzrostu napięcia w czasie uszkodzenia, dodatkowe kondensatory blokujące wyjście, które obniżają poziom szumów i zakłóceń. To także możliwość chwilowego przeciążania wyjścia, kompensacja spadku napięcia pod obciążeniem i możliwość jego regulacji trymerem.

Wartym uwagi dodatkiem jest też ferrytowy tłumik na kablu wyjściowym, który sprawdza się, gdy zasilacz służy do zasilania urządzenia zawierającego nadajnik radiowy. Dobry zasilacz ma też zabezpieczenie termiczne, które chroni jego działanie przed uszkodzeniem bądź przez czasowe wyłączenie lub lepiej przez tzw. derating, czyli obniżenie prądu wyjściowego do poziomu bezpiecznego.

Kiedyś można było porównywać zasilacze poprzez zważenie. Cięższy był lepszy, bo miał więcej elementów indukcyjnych i radiatorów, więcej miedzi i ogólnie elementów. Dzisiaj waga nie daje takiej informacji.

JAK OCENIAĆ JAKOŚĆ ŹRÓDEŁ CHEMICZNYCH?

Ocena jakości chemicznych źródeł energii, a więc baterii i akumulatorów, jest niestety o wiele trudniejsza i w wielu przypadkach niemożliwa do wykonania bez specjalistycznej aparatury. Rozebranie ogniwa nie ma sensu, bo nie dostarczy to żadnej informacji, zaś pomiar innych parametrów jak pojemność dla różnych prądów ładowania i rozładowania oraz temperatur nie dostarcza wielu informacji. Ale oczywiście lepsze to niż nic.

W przypadku akumulatorów znaczenie dokumentacji oraz certyfikatów dostarczanych przez dystrybutora lub producenta ma znacznie większe znaczenie i należy skierować swoją uwagę na ten obszar. Warto zauważyć, że niedawno weszły w życie przepisy nakładające wymagania na dostawców związane z koniecznością wykonania oceny (badań) ogniw pod kątem bezpieczeństwa ich transportu drogą powietrzną, naziemną lub statkiem oraz podczas ich przechowywania. W tym obszarze obowiązują normy IEC 62133 oraz UN38.3. Dotyczą one głównie wymagań bezpieczeństwa pojedynczej baterii i zestawów akumulatorów litowo-polimerowych, litowo-jonowych (Li-Ion), NiMH, itp. Bez certyfikatu wg UN 38.3 przewożenie akumulatorów litowych nie jest dopuszczalne, a w celu uzyskania tego dokumentu muszą być pomyślnie przeprowadzone próby akumulatorów poddanych różnym warunkom transportu. Należą do nich: symulacja wysokości, badanie termiczne, testy na drgania, uderzenie, zwarcie wewnętrzne, zderzenie, zgniatanie, przeładowanie oraz wymuszone rozładowanie.

Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rozwoju rynku zasilania

 

Za czynnik w największym stopniu sprzyjający rozwojowi rynku zasilania uznano szybki rozwój rynku elektroniki, czyli coraz większą liczbą produktów w naszym otoczeniu. Liczy się też wzrost zainteresowania jakością, który sprzyja producentom wyrobów markowych. W dużej mierze jest to proces powiązany z rosnącymi wymaganiami klientów, którzy mają świadomość, jak wiele zależy od dobrego zasilacza lub mają już za sobą eksperymenty z produktami z dolnej półki.

Wymagania tych regulacji zostały w zeszłym roku rozszerzone o kolejne testy. Dodano np. nowy test poziomu naładowania akumulatora, który ma symulować czas ładowania akumulatora dłuższy niż w przypadku użycia przez producenta większej szybkości ładowania. Test ten przeprowadza się na całkowicie rozładowanych pięciu zestawach akumulatorów i ładuje się baterie prądem o wartości dwukrotnie większej od prądu znamionowego, a górny limit napięcia jest ustawiony na maksymalne napięcie dostępne z ładowarki na akumulator.

Jak widać, zakres badań jest bardzo szeroki, co z punktu widzenia zapewnienia jakości jest korzystne, bo klienci mogą wymagać dostarczenia dokumentów nt. spełnienia wymogów IEC 62133 oraz UN38.3 i zakładać, że ogniwa, które je mają, są dobrej jakości, gdyż zostały przebadane.

Najważniejsze czynniki negatywne dla rynku

 

Od lat największą przeszkodą w rozwoju rynku zasilania są tanie jednostki zasilające, baterie i akumulatory z Azji. Ich słaba jakość polega na tym, że bazują na tanich elementach determinujących możliwość działania w długim czasie (kondensatory elektrolityczne), są słabo zabezpieczone przed przepięciami i stanami nieustalonymi, przez co są wrażliwe na uszkodzenia, a oszczędności na materiałach (wielkościach radiatorów, grubościach przewodów, wielkościach rdzeni) prowadzą do pracy na krawędzi możliwości i tym samym większej podatności na awarie. Poza tym najważniejszym kryterium, trzy kolejne nie są zaskakujące: długie terminu dostaw, silna konkurencja oraz brak wiedzy klientów na tematy związane z zasilaniem.

SZEROKI ZAKRES NAPIĘCIA WEJŚCIOWEGO

Dziesięć lat temu nowością na rynku zasilania impulsowego były wersje pozwalające na zasilanie dowolną wartością napięcia sieciowego występującą na całym świecie, a więc od ok. 86 do 240 V AC, w tym także odpowiadającą jej wartością napięcia stałego. Nietrudno zauważyć, że szybko stało się to standardem i dzisiaj w zasadzie ogromna większość zasilaczy małej i średniej mocy nie wymaga przełączania zakresu zasilania. W przypadku konwerterów DC-DC najnowsze rozwiązania umożliwiają zasilanie w zakresie 10:1, a więc np. od 10 do 100 V.

Ocena potencjału biznesowego chemicznych źródeł energii elektrycznej

 

Bezdyskusyjnie czołowe miejsce na wykresie ilustrującym potencjał chemicznych źródeł energii elektrycznej dla akumulatorów litowo-jonowych nie jest żadnym zaskoczeniem, bo są one podstawą działania elektroniki mobilnej, urządzeń profesjonalnych i branży e-transportu. Natomiast druga pozycja z 35% wskazań dla jednorazowych baterii (nie tylko litowych) wskazuje, że w wielu aplikacjach (np. AMR) dominuje zasilanie z baterii guzikowych i paluszkowych.

UŻYTECZNE DODATKI, CZYLI FUNKCJONALNOŚĆ

Funkcje, które pojawiają się dzisiaj często w zaawansowanych jednostkach zasilających, obejmują np. możliwość regulacji wyjściowego napięcia w niewielkim zakresie trymerem, po to, aby skompensować spadek napięcia na przewodach wyjściowych. To także wyjście sygnalizacji zaniku zasilania, gotowości zasilacza, możliwość chwilowego przeciążania, która przydaje się przy zasilaniu odbiorników takich jak silniki indukcyjne lub promienniki halogenowe. Pozwala to uniknąć przewymiarowania konstrukcji i kupowania zasilacza ze sporym zapasem mocy. Wiele aplikacji potrzebuje jej przez krótki czas, a przykładem mogą być zawory, rygle oraz siłowniki i w takiej sytuacji niewielka jednostka zasilająca z możliwością przeciążania jest w rozrachunku znacznie tańsza. Przeciążanie najczęściej bazuje na zabezpieczeniu termicznym (po kilkunastu sekundach przeciążenia następuje derating na skutek wzrostu temperatury w obudowie).

Od strony układowej zasilacze wyposaża się dzisiaj we wszechstronne układy zabezpieczające, rozbudowane filtry wejściowe, sterowniki zapewniające sygnalizację stanu zasilacza i podobne obwody ochronne na tyle skuteczne, że awaria na skutek przeciążenia, stanu nieustalonego lub zwykłego błędu podczas montażu instalacji staje się praktycznie niemożliwa. Standardem w zasilaczach adapterowych jest też kompensacja spadku napięcia na przewodzie wyjściowym, polegająca na niewielkim podbijaniu napięcia przy wzroście prądu obciążenia.

Główne trendy w źródłach akumulatorowych

 

Poza dużą wydajnością ogniw chemicznych, a więc pojemnością oraz możliwością obciążania dużym prądem, w bardzo dużym stopniu liczy się bezpieczeństwo użytkowania ogniw, w tym zgodność z normami, a także odporność środowiskowa i mechaniczna. Jest to zrozumiałe, bo wiadomo, że te kryteria dotyczą technologii litowych, które wymagają najwięcej zabezpieczeń, uwagi i ochrony przed utratą stabilności.