CAPZero-2: Экономия должна быть экономной или как нам эффективно снизить потери мощности там, где и снижать-то вроде бы нечего

За последние сто пятьдесят лет человечество в плане технического развития нашей цивилизации совершило такой скачек, который превысил все, что оно достигло с момента ее зарождения до конца 19-го века. И это развитие в наши дни продолжается ускоренными темами, в наш обиход входят все новые и новые устройства, и все они связаны с потреблением энергии и преобладающая энергия здесь – электрическая. Наука нам говорит, что развитие цивилизации может замедлиться, остановиться или пойти вспять по причине нехватки производительных сил и ресурсов, в том числе одного из главнейших – энергии. Причина здесь может любая, но если не брать в расчет форс-мажорные обстоятельства, например, природные катаклизмы, то по части энергии могут исчерпаться ресурсы для ее выработки, возникнуть ограничения по возможности ее выработке и даже просто по емкости каналов ее передачи потребителям. А в последнее время человечество осознало, что чрезмерная выработка энергии несет в себе экологическую угрозу, она стала влиять на климат планеты, причем скоро это влияние может стать уже необратимым. Какой же выход? Выход простой и очевидный – экономия и разумное использование энергии и ее источников. В нашем случае это повышения эффективности функционирования электронного и электрооборудования, а, говоря по простому, – сведению к минимуму имеющихся потерь.

Этому вопросу в настоящее время уделяется самое пристальное внимание и страны, основные производители и потребители, энергии договорились ввести ограничения на ее нерациональное использование. Этому, например, посвящен документ Energy Efficiency Action Plan [1] принятый большой двадцаткой G20 в 2014 году – план, направленный на повышение эффективности использования энергии. Многие страны ввели в действие свои стандарты по повышению энергоэфективности в их числе США, страны ЕС, Индия, Китай, Австралия, Южная Корея, Япония [4].

В Европейском Союзе, Директивы по энергоэффективности охватывают многие продуктов, не только привычные нам устройства, а в частности и те, которые являются составной частью «I» в Интернете вещей - IoT. А это миллионы коммутаторов и серверов, которые должны эффективно обеспечивать связь между всеми (миллиардами) узлов. Поскольку пока не существует глобального исчерпывающего законодательства, которое применяется в явном виде ко всем устройствам, потребляющим энергию – EuP (англ. EuP – Energy-using product, специально введенная терминология для всех устройств, питаемых от сети), но уже есть законодательство, регламентирующее то количество энергии, которое разрешено использовать при питании от сети в режиме ожидания и в выключенном режиме. Имеется в виду требования Директивы по энергоэффективности 2012/27/EU [2] и Lot 6 и Lot 26, соответственно, которая охватывает такие EuP продукты. Это означает, что, наши новейшие умные устройства теперь должны не только умно работать, они также должны оставаться умными и тогда, когда они находятся в режиме ожидания и самостоятельно переходить в режим максимально пониженного энергопотребления. В качестве итога подсуммируем – региональное законодательство устанавливает по всей Европе обеспечение соблюдения целевых показателей на 2020 год, которые включает в себя улучшение на 20% энергоэффективности [2]! И законодательная база для достижения этой фантастической цели пополняется большим количеством новых разрабатываемых законов и нормативных актов.

Соответственно это оказывает давление на OEM-производителей и вынуждает последних делать все, чтобы их продукция соответствовала новым стандартам в части энергетической эффективности. А это, в свою очередь, является движущей силой инноваций от производителей комплектующих, в частности микросхем, направленных на экономию электроэнергии, поскольку в обозримом будущем останется, огромное число устройств питаемых или заряжаемых непосредственно от сети переменного тока.

Мы все понимаем, что преобразование мощности от источника переменного тока высокого напряжения к низкому напряжению питания постоянного тока несет в себе потери присущие этому преобразованию, и мы с ними боремся, оптимизируем наши схемы и конструкции, выбираем наилучшие топологии преобразователей. Но при этом могут иметь место потери, которые не связаны напрямую с преобразованием.

Если посмотреть на обычный блок питания, то мы увидим, что по входу имеется, как минимум конденсатор, а то и полноценный фильтр. Это связано с выполнением требований по уровню электромагнитных помех. Но наличие такого Х-конденсатора автоматически требует выполнение требований по безопасности, например, стандарта ГОСТ IEC 60950-1-2014 (аналог международного стандарта IEC/UL 60950) [3], который устанавливает такое определение, как «опасный энергетический уровень» (англ. hazardous energy level). Требование п. 1.2.8.10 стандарта гласит: «Уровень располагаемой мощности не менее 240 ВА, сохраняющийся не менее чем 60 с или уровень накопленной энергии не менее 20 Дж (например, от одного или более конденсаторов) с разностью потенциалов не менее 2 В».

Таким образом, нам для выполнение требований по безопасности необходимо обеспечить пути разряда конденсатора или конденсаторов входного фильтра. Как правило, ранее для этого использовалось самое простое и дешевое решение – разрядный резистор, который оставался постоянно включенным и являлся нагрузкой по входному напряжению, которая, естественно, потребляла энергию.

В не таком далеком прошлом, на это просто не обращали особого внимания, так как ситуация была обычной, решить ее схемотехнически было накладно, да и особо не за чем. Так что такие потери на фоне невысокого КПД воспринимались, как неизбежные по факту. Они, как и все другие потери, ложились на плечи потребителя. Ложились, до тех пока КПД не возросло, мощности потребления отдельными устройствами снизились, а общее энергопотребление и связанные с ним выбросы парниковых газов выросли настолько, что это стало уже угрозой для нашей цивилизации из-за их влияния на климат нашей планеты. Тут умные люди начали подсчитывать, то, что оставалось еще неучтенным и что можно уменьшить для экономии энергии, а потом этим вопросом занялись уже дотошные экологи, а под их давлением и законодатели. Так все вернулось к разработчикам.

На первый взгляд может показаться, что это действительно не та экономия, на которую надо обращать внимание. Однако вспомним такую известную философскую категорию, как переход количества в качество, и применим ее к рассматриваемой проблеме.

Для расчета этих потерь, рассмотрим 1 МОм разрядный резистор. Если наше устройство питается от сети переменного тока 230 В, то все это входное напряжение прикладывается к нашему резистору, а потери на нем равны квадрату напряжения, деленному на сопротивление резистора – в данном случае это составит ни много ни мало, а скромные 53 мВт. Это обычная ситуация, например, для ноутбука с потреблением 90 Вт. В блок питания мощностью 200 Вт, где требуются большие по номиналу X-конденсаторы и, соответственно, меньшие по номиналу разрядные резисторы, потери могут доходить уже до примерно 125 мВт. Если взять время, в течение которого такие устройства остаются подключенными к сети, их общее количество у потребителей, например, в квартире автора статьи таких устройств двенадцать, то переход количества в качество даст нам следующее – годовые потери только для одного среднего потребителя составят более 6 кВт/час в год. А для страны? А с учетом промышленного, телекоммуникационного оборудования, да плюс еще и устройства Интернета вещей, которые внедряются в геометрической прогрессии и не все они питаются от батареек? Здесь для компенсации этих, как казалось по началу милливаттных потерь, потребуется ДнепроГЭС, а может еще и не одна.

Чтобы положить конец неоправданному расточительству энергии в ЕС на законодательном уровне для EuP устройств, документом EuP Lot 6 Tier2 [4] установлены следующие нормы экодизайна:

• потребление в выключенном состоянии не должно превышать 0,5 Вт;
• потребление в спящем (дежурном) режиме с функцией активации (пробуждения) не должно превышать 0,5 Вт;
• потребление в спящем (дежурном) режиме с функцией активации (пробуждения) и дисплеем статуса не должно превышать 1,0 Вт.

Как можно видеть, производители на текущий момент находятся под постоянным прессингом в части выполнения требований по повышению эффективности использования энергии. Да и потребитель стал более разборчив и готов выложить дополнительную трудовую копейку за «зеленое» устройство, мало того – это стало трендом и двигателем в продвижении изделий на рынке. Так что, поскольку нормы установлены жесткие и отношение к «зеленым» технологиям со стороны потребителей в корне изменилось, то изготовители вынуждены находить способы снижения потерь в выпускаемом оборудовании даже там, где, как казалось, уже и снижать-то нечего.

Но такая экономия не должна быть и разорительной, пусть это и каламбур, но такая экономия должна быть экономной. То есть, мы согласны, что в нынешних условиях ужесточения требований стандартов в части энергоэффективности нужно беречь каждый милливатт и то, что это не экономия ради экономии, не дань моде на «зеленое», а все эти требования имеют уже жизненно важное значение. Но возникает законный вопрос, как уменьшить потери мощности и не понести при этом особых убытков. Как их уменьшить так, решение, используемое для энергосбережения, само не стало очередным звеном в цепочке потерь.

Не так давно, компании Power Integrations предложила весьма эффективное решение рассматриваемой проблемы, а именно – избежать потерь от наличия разрядной цепи по входу, которая требуется для миллионов, если не миллиардов, устройств. Для этой цели компания предлагает новейшую инновационную двухвыводную микросхему CAPZero второго поколения, предназначенную для разряда X-конденсаторов (рис.1). Это новая запатентованная компанией Power Integrations микросхема CapZero-2 – CAP200DG [5] рассчитана на разряд конденсаторов емкостью от 0,1 и до 6 мкФ и напряжение до 1 кВ. При этом она может выдерживать броски напряжения до 6 кВ, то есть, микросхемы CAPZero-2 способны надежно работать в условиях переходных процессов и бросков сетевого напряжения.

Рис. 1. Новая микросхема CAPZero-2 – CAP200DG для разряда X-конденсаторов

Один из стандартных методов устранения потерь во входной цепи – это разрыв цепи разрядного резистора и включения его только для целей разряда Х-конденсатора. С этой целью используется интеллектуальный электронно-управляемый переключатель, который может распознать момент выключения. Одним из таких решений как раз и является микросхема CapZero-2, представляющая собой двухполюсник не требующий обвески в виде дополнительных элементов, поэтому применение CapZero-2 не вызывает излишней сложности в использовании. Она может быть легко использована не только во вновь проектируемых изделиях, но и для модернизации старых конструкций. Например, для доводки до требований LoT6 серийно выпускаемых блоков питания мощностью до 200 Вт. Для этого достаточно заменить имевшийся в них разрядный резистор на два (R1 и R2), сумма номиналов которых равна сопротивлению заменяемого резистора, и потери устройства в ждущем режиме будут снижены (рис.2) [5] до новых норм. Учитывая то, что микросхемы CapZero-2 уже сертифицированы по безопасности в соответствии с требованиями CB и Nemko, нет необходимости повторять сертификационные испытания, потребуется лишь внести обновление файла по безопасности. При этом одна микросхема, как уже говорилось выше, охватывает широкий диапазон значений емкости X-конденсатора.

Рис.2 Типовое включение микросхемы CapZero-2 – для замены разрядного резистора.

Когда на устройство подается переменное напряжение, микросхема CapZero-2 прерывает ток в разрядной цепи X-конденсатора, то при питании от 230 В переменного тока потери мощности во входной уменьшаются не более чем до 5 мВт. Именно этот факт в соответствии с нормативами новой редакции стандарта IEC 62301 (clause 4.5) позволяет говорить о нулевых потерях этой схемы. К сожалению, стандарт ГОСТ IEC 62301-2016 [8], который отстает от жизни, так как идентичен IEC 62301 в редакции 2010 года, этой нормы еще не содержит. Когда же напряжение переменного тока отключается, то после анализа, который требует не более 31,4 мс (типовое значение 22 мс), микросхема автоматически разряжает конденсатор путем подключения последовательных разрядных резисторов. Это очень удобно для оптимизации дифференциального режима фильтрации электромагнитных помех и снижения затрат на дроссель, не изменяя при этом потребление энергии, обеспечивает высокую гибкость в выборе номинала Х-конденсатора.

Весь процесс проектирования с использованием рассматриваемого устройства заключается лишь в выборе соответствующих номиналов внешних резистора для выбранного Х-конденсатора, то есть для достижения необходимой постоянной времени его разряда. Согласно спецификации [5] суммарное значение резисторов R1 и R2 может быть в диапазоне от 7,5 МОм до 142 кОм. Дополнительно, если измеренный уровень пикового напряжение превышает 950 В, то рекомендуется использовать внешний керамический конденсатор номиналом до 47 пФ и рабочим напряжением1 кВ, который должен быть установлен между выводами D1 и D2. Это позволяет уменьшить приложенное напряжение во время всплеска. Однако следует отметить, что использование внешнего конденсатора будет увеличивать потребление энергии за счет токов, протекающих через R1 и R2. Так при питании от сети 230 В переменного тока частотой 50 Гц конденсатор емкостью 33 пФ добавит нам приблизительно 0,5 мВт потерь мощности.

Тем не менее, мы должны быть уверены, что микросхема не подведет нас даже в экстремальных условиях. Именно поэтому комитет МЭК был заинтересован в этом и, для того чтобы иметь определенные гарантии в стандарт по безопасности IEC 62368-1 (ГОСТ IEC 62368-1-2014 [7]) были включены соответствующие положения по тестированию в части устойчивости входных цепей содержащих Х-конденсаторы.

Однако, несмотря на то, что данное требование является жизненно важным и обязательным, выполнить это требование по безопасности для некоторых топологий может вызвать определенные затруднение. Например, это касается использования обратноходовых AC/DC-преобразователей с интегрированным X-конденсатором, в которых путь для тока разряда этого конденсатора на нагрузку является весьма сложным. Тем не менее, испытания, проводимые в рамках указанного стандарта, требуют, чтобы разряд конденсатора происходил даже в случае одиночного отказа. Таким образом, в данном случае с разрядным током, путь которого лежит через множество различных компонентов, соответствие системы требованиям безопасности может оказаться под вопросом, так как в случае отказа одного из этих компонентов разрядная цепь не сработает и, таким образом, мы не сможем выполнить требования по безопасности при выключении. И какой выход?

Эту проблему как раз и может решить использование микросхемы CapZero-2, так как она обеспечит разряд Х-конденсатора, даже если имеется неисправность в блоке питания и другие пути для его разряда недоступны. Кроме того расположение контактов D1 и D2 гарантирует, что ширина корпуса SO-8 обеспечивает пути для тока утечки не менее 4 мм [5] (рис.3), чт отвечает требованиям по безопасности. Помимо того микросхемы прошли испытания на воздействие скачков напряжения до 8 кВ и разработаны с избыточностью по выводам – по два вывода D1 и D2. Так что даже при обрыве одного вывода или непропае (в жизни всякое бывает и очень часто), безопасный разряд для энергии X-конденсатора будет по-прежнему обеспечен. Это позволяет блокам питания соответствовать требованиям новой редакции стандарта по безопасности IEC 62368-1, который охватывает широкий сегмент оборудования с питанием от сети и который заменяет собой стандарты IEC 60950 для ИТ-оборудования и IEC 60065 для теле-, видео- и аудио-оборудования, что мы видим на примере ГОСТ IEC 62368-1-2014. Эта новая редакция стандарта безопасности IEC 62368-1 была утверждена в прошлом году, а уже в 2019 он станет обязательным и нам разработчикам радиоэлектронной аппаратуры надо быть к этому готовым.

Для иллюстрации проблемы отметим, что испытания на безопасность достаточно жесткие, они проводятся с выдержкой в течение 120 час при температуре 40°C и относительной влажности 93 процентов. Кроме того они включают в себя 100 и 100 положительно отрицательные импульсов высокого напряжения, которые подаются между фазой и нулевым проводом (нейтралью) с использованием конденсатора с наибольшей емкостью и резистор с наименьшим сопротивлением, а затем повторяются с конденсатором с наименьшей емкости и резистора с наибольшим сопротивлением, как рекомендовано изготовителем. Время между любыми двумя импульсами должен быть не менее чем в одну секунду. Далее проводят испытания при 110% номинального напряжения переменного тока, которое подается в течение двух с половиной минут, а затем цепь подвергают 10 тыс. циклов включения и выключения. Опять же, это осуществляется с помощью конденсатора с наименьшей емкостью и резистора с наибольшим сопротивлением, а затем повторяются с конденсатором с наименьшей емкости и резистора с наибольшим сопротивлением, как указано производителем. Включения и выключения времени цикла составляет не менее одной секунды.

Но, как уже было сказано, для достаточно широкого спектра номиналов Х-конденсаторов используется только одна микросхема CapZero-2 – CAP200DG. Это упрощает проектирование, повышает гибкость, упрощает логистику и ускоряет выхода на рынок конечного продукта при одновременном сокращении затрат и ресурсов, необходимых для сертификации устройств. Поскольку устройства CapZero-2 соответствуют требованиям CB и NEMKO и сертифицированы по безопасности, разработчикам не нужно выполнять отдельную сертификацию цепи разряда Х-конденсатора источника питания. Предлагаемая микросхема является идеальным выбором для устройств требующих соответствия жестким нормам по потреблению в выключенном и ждущем режимах, установленным в EuP Lot 6 [4].

Новые устройства CapZero-2 найдут применение в оборудовании для кондиционирования воздуха, бытовой технике, электроплитах, пылесосах, телевизорах, настольных и портативных компьютерах, проекторах, рабочих станциях, компьютерных мониторах и принтерах. Микросхемы выпускаются в корпусах SO-8 в партиях стоят по $0.19 за штуку в партиях по 10 тыс. шт. Для получения полной информации по микросхеме CapZero-2 обратитесь к спецификации [5] или авторизованному дилеру.

Автор:

Владимир Рентюк

Литература:

• G20 Energy Efficiency Action Plan: Voluntary Collaboration on Energy Efficiency, 16 November 2014 http://www.g20.utoronto.ca/2014/g20_energy_efficiency_action_plan.pdf
• 2012/27/EU: Directive of the European parliament and of the council of 25 October 2012 on energy efficiency //Official Journal of the European Union, 2012.
• ГОСТ IEC 60950-1-2014 Оборудование информационных технологий. Требования безопасности. Часть 1. Общие требования.
• EuP Lot 6 Tier2 Ecodesign requirements for Standby: ST’s Readiness
• CAP200DG CAPZero-2 Zero Loss Automatic X Capacitor Discharge IC, Power Integrations, May 2015
• Edward Ong. Reducing idle losses while meeting IEC 62368-1 http://electronicscomponentsworld.com/reducing-idle-losses-while-meeting-iec-62368-1/
• ГОСТ IEC 62368-1-2014 Аудио-, видео- аппаратура, оборудование информационных технологий и техники связи. Часть 1. Требования безопасности.
• ГОСТ IEC 62301-2016 Электроприборы бытовые. Измерение потребляемой мощности в режиме ожидания.