КПД источника питания на базе микросхем POWER INTEGRATIONS (часть 2)

Для того, чтобы проанализировать более детально аспекты, касающиеся КПД мы будем использовать в качестве точки опоры дизайн ST 204 A. Это универсальный обратноходовый преобразователь 15 V, 30 W на микросхеме TOP 204. Полная схема этого ИП показана на рис. 1. Как показано на рис.2 схема обладает КПД более 80% при полной нагрузке, и это во всем диапазоне рабочих напряжений 90-264 VAC. При входном напряжении более 120 VAC КПД лежит в пределах 85-87%. В данном цикле статей будут изучены элементы, технологии, техника измерения и оптимизации этого дизайна, которые позволяют получить в итоге высокий КПД.

рис.1

рис. 2

Распределение потребления энергии.

Распределение потребляемой энергии на элементы ST 204 вы можете видеть в таблице 1. Потребление было замерено для входных напряжений: 90, 120 и 240 VAC для выходной мощности 30 W. Из-за неустранимых погрешностей измерения, сумма потребляемых каждым элементом мощностей не равна номинальной мощности источника питания. Суммарная погешность 3-4%. Сравнительно малое число компонентов обуславливают суммарные потери мощности в ST 204 A.

Это: входной сетевой фильтр L 2, диодный мост BR 1, микросхема TOPSwitch U 1, диод Зенера VR 1, выходной выпрямитель D 2. Есть компоненты, которые потребляют сравнительно мало мощности но при этом, сильно влияют на суммарный КПД источника питания. Это входной фильтрующий конденсатор С1 и трансформатор T1.

Технология измерения

Измерение реального КПД каждого элемента источника питания - это не всегда тривиальная задача. В случае ST 204 A для получения данный таблицы 1 было использовано 3 методики измерения: прямое измерение ваттметром, расчет исходя из измеренных напряжения и тока, а также методом теплового эквивалента.

Прямое измерение

Прямое измерение рассеиваемой мощности больше применим для измерения общего КПД источника питания. Это измерение лучше осуществляется ваттметром, спроектированным для измерения среднего значения, чтобы измерить параметры входа. Ваттметры, которые выводят среднеквадратические значения не годятся для измерений на переменном токе. Ваттметры должны иметь достаточное разрешение для измерений в интересующем нас диапазоне. Кроме того, ваттметр должен иметь возможность обрабатывать сигналы с пик-фактором (отношение пикового значения амплитуды к среднеквадратическому) как минимум 3:1. Входной емкостной фильтр, используемый во многих источниках питания вносит искажение во входное питающее напряжение, которое приводит к высокому пик-фактору и низкому коэфициенту мощности (0.6...0.8) в зависимости от сопротивления и напряжения питающей сети.

Ваттметр должен быть подключен по схеме, показанной на рис. 3, при этом клеммы измерения напряжения ваттметра должны быть как можно ближе ко входу источника питания, чтобы избежать погрешностей возникающих при падении напряжения на входном питающем кабеле. Это падение напряжения может вызвать ошибку в 1-2% даже в случае маломощного источника питания.

рис.3

Если Ваттметр недоступен, общий КПД источника питания можно измерить, подав на вход постоянное напряжение и замерев входное напряжение и потребляемый ток соответствующими приборами. Большинство источников питания работают как с переменным так и с постоянным напряжением на входе. Однако не следует ользоваться этим методом, если в вашей схеме присутствует вентилятор или трансформатор соединенный напрямую с входом AC. Эти компоненты представляют собой короткое замыкание по постоянному току. КПД измеренный при постоянном входном напряжении будет на 1-2% выше, чем на переменном. Это объясняется тем, что источник питания будет работать еденичном коэфициенте мощности, что немного разгружает входную цепь. Кроме того, в схеме не будет пульсации частоты на входном фильтрующем конденсаторы, что позволяет источнику питания работать на большем напряжении и соответственно на меньшем токе, что расеивает меньше мощности. Тем не менее измерение при постоянном входном напряжении могут быть использованы для получения лишь приблизительных измерений КПД. В случае, когда недотупен высоковольтный источник питания, можно использовать входной выпрямительный мост и конденсатор для получения постоянного напряжения из входного переменного. Пульсации этого источника питания должны быть в пределах 5% примаксимальной потребляемой мощности.

Необходимо также учитывать, что некоторые токовые датчики имеют задержку сигнала порядка 50 нс. Это может вызвать достаточно большую погрешность в измерении. Для более точных замеров потребления мощности используется метод теплового эквивалента.

Метод теплового эквивалента

Это очень удобный метод измерения рассеиваемой мощности таких элементов как биолярные транзисторы, диоды, MOSFET транзисторы. То есть там, где есть обратное восстановление, потери на переключение и на электропроводность. Для испольования этого метода, измеряется увеличение температуры в измеряемом компоненте. Аналогичное увеличение температуры проводят при прохождение через компонент постоянного тока. Зная значения напряжения и тока через компонент, можно определить какая мощность рассеялась на нем рассеялась.

Автор: Бандура Геннадий

Компания: Макро Групп