Заканчиваем сравнивать. Поря уже и разбираться что по чём. Часть 3

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest® с номенклатурой источников питания постоянного тока, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого раздела

Здесь, в третьей части нашей серии уроков по источникам питания для начинающих, мы закончим сравнением различных типов источников питания, которые мы рассматривали ранее, как линейных, так и импульсных, и увидим преимущества и недостатки обоих типов.

Следуя стенограмме руководства

Это третья часть серии веб-семинаров для энтузиастов источников питания или любителей, которые не обязательно имеют образование инженеров-электронщиков.

На данный момент было собрано недорогое оборудование для тестирования блоков питания. Изучены нерегулируемые источники питания, протестированы различные линейные регуляторы и импульсные преобразователи. В этом разделе мы сравним различные источники питания и определим, какой из них лучше подходит для конкретных приложений.

Программа по изучению блоков питания

• Сравнение энергоэффективности
• Сравнение рассеивания мощности и повышения температуры
• Сравнение пульсаций напряжения (кондуктивный шум)
• Сравнение излучаемого шума (радиопомех)

Существует множество различных типов источников питания - от сверхмаломощных систем, потребляющих милливатты и микроватты, до мегаваттных установок для производства и распределения электроэнергии. Поэтому выбор наиболее подходящего решения для конкретного применения является важным этапом проектирования и эксплуатации.

Сравнение эффективности источников питания

Схема измерения эффективности источника питания

DUT - тестируемое устройство

Input Source - источник входного сигнала

Load - нагрузка

Remember to use Kelvin sensing - не забудьте использовать измерение Кельвина

Независимо от типа тестируемого источника питания, для точного определения энергоэффективности требуется отдельное измерение входного и выходного напряжения и тока. Для очень маломощных устройств, обычно менее 0,1 Вт, необходимо специализированное оборудование, поскольку сами измерительные приборы могут заметно влиять на результат.

Остановимся на блоках питания мощностью не менее 1 Вт, поскольку именно такие устройства доступны большинству радиолюбителей и специалистов.

Измерение по Кельвину подразумевает контроль напряжения непосредственно на входных и выходных клеммах источника питания. Использование показаний лабораторного блока питания или предположение, что ATX-блок выдает строго 5 В или 12 В, может привести к ошибкам из-за падения напряжения в соединительных проводах и измерительных приборах.

Для первого эксперимента использовался нерегулируемый источник питания с линейным стабилизатором тока на 500 мА. Один мультиметр измеряет входной ток (IIN), другой - входное напряжение (VIN).

При включении входной ток составил 30,8 мА при напряжении 226 В. Затем измеряются выходной ток (IOUT) и выходное напряжение (VOUT).

При выходном токе около 510 мА и напряжении 6,2 В была получена первая точка для расчета эффективности. Далее аналогичный эксперимент выполняется с регулируемым импульсным источником питания.

У импульсного источника входной ток значительно ниже при практически том же входном напряжении. Это свидетельствует о более высокой эффективности преобразования энергии.

Сравнение рассеивания мощности и повышения температуры

Сравнение тепловых характеристик различных типов блоков питания

Use linear when possible, otherwise switch, switch, switch - используйте линейные регуляторы там, где это возможно, иначе применяйте импульсные преобразователи.

Импульсные регуляторы в большинстве случаев значительно эффективнее линейных. Поэтому линейные стабилизаторы при одинаковых условиях VIN, VOUT и IOUT рассеивают гораздо больше мощности и нагреваются сильнее.

Тем не менее низкий уровень электрического шума, простота схемотехники и низкая стоимость делают линейные регуляторы и LDO привлекательным выбором во многих приложениях.

Критерии выбора линейного регулятора

• VOUT меньше минимального входного напряжения VIN(min).
• VOUT не является отрицательным относительно VIN.
• Выход не требует гальванической изоляции от входа.
• (VIN(max) - VOUT) × IOUT(max) менее 1 Вт.

Если мощность рассеивания превышает 1 Вт, зачастую требуется радиатор. Во многих случаях хороший радиатор может стоить дороже самой микросхемы управления источником питания.

Для сравнения был протестирован синхронный понижающий преобразователь мощностью около 27-28 Вт. При температуре окружающей среды 27-28°C наиболее нагретые элементы достигали лишь 30-32°C.

Для сравнения линейный регулятор с массивным радиатором при аналогичной нагрузке нагревался более чем до 100°C, что демонстрирует значительную разницу в эффективности.

Сравнение входных и выходных пульсаций

Сравнение пульсаций напряжения различных типов стабилизаторов

Buck input voltage ripple - пульсации входного напряжения понижающего преобразователя

LDO input voltage ripple - пульсации входного напряжения LDO-регулятора

Sensitive loads may need a hybrid solution - чувствительные нагрузки часто требуют гибридного решения

Линейные регуляторы превосходят импульсные по уровню проводимого шума как на входе, так и на выходе. Для чувствительных аналоговых и цифровых схем это может быть критически важным фактором.

Существует три основных способа уменьшить пульсации напряжения при использовании импульсного регулятора:

• Тщательно выбирать топологию преобразователя.
• Использовать LC-фильтр на выходе.
• Применять связку «импульсный регулятор + LDO пост-регулятор».

Для сравнения использовались понижающий преобразователь и линейный LDO-регулятор, работающие от одного источника +12 В и одинаковой нагрузки 4 Ом.

Сравнение пульсаций выходного сигнала регулятора

Измерение выходных пульсаций с помощью осциллографа

Для измерений использовался осциллограф. Оба устройства выдавали выходное напряжение 5 В. На экране осциллографа пульсации понижающего преобразователя отображались желтым цветом, а LDO-регулятора - синим.

На первый взгляд уровень шума выглядит схожим, однако большая часть наблюдаемого шума LDO связана с внешними наводками от импульсного преобразователя. При правильном измерении уровень шума линейного регулятора значительно ниже.

Сравнение излучаемого шума

Проверка уровня электромагнитных помех источников питания

Does my radio still work? - Моё радио ещё работает?

Линейные регуляторы излучают значительно меньше электромагнитных помех по сравнению с импульсными преобразователями. Именно поэтому разработка фильтров EMI зачастую занимает столько же времени, сколько и проектирование самого источника питания.

Во время испытаний использовался AM-приемник, настроенный примерно на 600 кГц. После включения импульсного преобразователя уровень помех резко возрастал, особенно при приближении антенны к дросселю и коммутационному узлу.

Линейный регулятор при аналогичной выходной мощности практически не влиял на качество приема радиосигнала, демонстрируя минимальный уровень излучаемого шума.

Аналогичный эксперимент был проведен в FM-диапазоне на частоте около 92 МГц. Импульсный преобразователь создавал заметные помехи за счет гармоник и высокочастотных составляющих сигнала, тогда как линейный регулятор практически не ухудшал прием.

На этом завершается третья часть серии материалов по источникам питания для начинающих. Рассмотренные примеры наглядно показывают различия между линейными и импульсными источниками питания и помогают выбрать оптимальное решение для конкретной задачи.

Конец транскрипции

Дополнительную информацию о различных типах источников питания можно найти на сайте Electronics Tutorials: подробное руководство по импульсным источникам питания.

Магазин Gtest® - официальный поставщик источников питания постоянного тока в Украине:
купить источник питания в Украине