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

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) 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 видели, как линейных, так и импульсных, и увидим преимущества и недостатки как импульсного, так и линейного источника питания. 

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. Изучили нерегулируемые источники питания. Тестировали различные линейные регуляторы и тестировали различные импульсные регуляторы. В этом разделе мы сравним примеры этих различных источников питания и рассмотрим их, чтобы определить, какой из них лучше всего подходит для различных приложений.

Программа по изучению блоков питания

• Cравнение энергоэффективности

• Cравнение рассеивания и повышения температуры

• Cравнение пульсаций напряжения (кондуктивный шум)

• Cравнение излучаемого шума (радиопомех)

Существует очень много различных типов источников питания. От крошечных систем, использующих милливатт (мВт) или даже микроватт (мВт) в таких областях, как так называемая область «сбора энергии», до мегаватт (МВт) в производстве и распределении электроэнергии. Поэтому выбор наиболее подходящего устройства для вашего применения является важным шагом при использовании и проектировании источника питания.

Сравнение эффективности источников 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 тестирования энергоэффективности требуется один амперметр и один вольтметр для входа вашего источника питания, а затем еще один амперметр и еще один вольтметр для каждого выхода. Для цепей с очень низкой мощностью, обычно менее одной десятой ватта (1/10 Вт или 0,1 Вт), необходимо специальное оборудование, поскольку амперметр и вольтметр всегда потребляют некоторую мощность и могут исказить результаты измерений.

Остановимся на блоках питания выходной мощностью не менее одного ватта, так как в моем (автора статьи) списке доступных устройств, о которых я говорил в первой части, точно не входит та спецтехника.

Под определением Кельвина понимается измерение входного и выходного напряжения непосредственно на входах и выходах вашего источника питания. На демонстрационных платах, которые использовались, для этой цели всегда имеются контрольные точки рядом с входными конденсаторами, а также с выходными конденсаторами.

Если вы используете показания напряжения лабораторного источника питания или уверены, что блок ATX выдает ровно 12 В или 5 В, ваши измерения будут неправильными, поскольку напряжение теряется из-за резистивного падения в соединительных кабелях. В самом амперметре также используется последовательный резистор, и там тоже теряется некоторое напряжение.

Для первого эксперимента по повышению эффективности вернёмся к нерегулируемому источнику питания. Он используется с источником линейного тока, рассчитанным на ток 500 мА. Один мультиметр измеряет входной ток (IIN), а другой мультиметр измеряет входное напряжение (VIN).

При включении входной сигнал потребляет 30,8 мА при среднеквадратическом напряжении 226 В, и теперь поменяем ситуацию и посмотрим на выходной ток (IOUT) и выходное напряжение (VOUT).

Та же схема, но теперь, когда она включается, необходимо измерить выходной ток 510 мА и выходное напряжение 6,2 мА. Помните, что это полурегулируемая схема. На практике, если бы мы собирались рассчитать множество точек эффективности, мы бы варьировали нагрузку. Однако этот линейный источник тока на самом деле является логарифмическим в том смысле, как он регулируется с помощью этого потенциометра, что немного усложняет задачу.

Сейчас повторим эксперимент, но вместо нерегулируемого источника питания используем регулируемый импульсный источник питания. Это выходной ток и выходное напряжение и когда источник включается, снова 510 мА. Но на самом деле прибор не так хорошо отрегулирован, как ожидалось, поскольку его напряжение 6,5 В, а здесь на самом деле 7,07 В. Тем не менее, мы можем взять эти две точки данных и построить график эффективности.

Сейчас проверим входной ток и входное напряжение нашего импульсного источника питания постоянного тока, и мы уже видим, что входной ток намного ниже, тогда как входное напряжение почти такое же. Итак, мы знаем, что эффективность будет намного выше, и теперь у нас есть еще две точки данных, так что давайте продолжим и посчитаем.

Сравнение рассеяния и повышения температуры

Use linear when possible, otherwise switch, switch, switch - используйте линейные линии, когда это возможно, иначе переключайтесь, переключайтесь, переключайтесь

На предыдущих слайдах и видеороликах мы видели, что импульсные регуляторы в большинстве случаев значительно более эффективны, чем линейные регуляторы. Поэтому неудивительно, что линейные регуляторы, используемые в одинаковых условиях VIN, VOUT и IOUT, рассеивают гораздо больше мощности, а их компоненты нагреваются намного сильнее, чем эквивалентные импульсные стабилизаторы.

Тем не менее, низкий электрический шум, простота и низкая стоимость NPN-регуляторов и LDO (регуляторов с низким падением напряжения) делают их предпочтительным выбором, когда их использование целесообразно. 

Критерии следующие:

• № 1 – VOUT < VIN(min) (минимальное входное напряжение)

• №2 – VOUT не является отрицательным по отношению к VIN.

• №3 – VOUT не изолирован от VIN в целях безопасности или снижения шума.

• № 4 – (VIN(макс) – VOUT)*IOUT(макс) меньше 1 Вт

Это предполагает, что у вас нет места или бюджета для радиатора (т.е. Устройство или вещество для поглощения избыточного или нежелательного тепла) и, по моему опыту, на радиаторы действительно есть место или деньги. Возможно, вас удивит тот факт, что многие радиаторы, способные рассеивать более одного ватта, стоят дороже, чем микросхема управления блоком питания.

Говоря о нагреве, имеется синхронный понижающий преобразователь. Вероятно, это самый эффективный из всех импульсных преобразователей мощности, его мощность составляет около 27 или 28 Вт. Он запитывается от 12 Вольт от блока питания ATX. Выходное напряжение почти ровно 5 В, выходной ток около 5,5 А, и это благодаря группе мощных резисторов, общее сопротивление которых составляет чуть менее 1 Ом.

Для понимания, температура окружающей среды в комнате находится где-то между 27 и 28 градусами Цельсия. Один из силовых резисторов очень горячий, около 50°C. Надо учитывать это, потому что все, что выше 50°C, неприятно на ощупь.

Если начать измерять температуру некоторых силовых компонентов, то переключающий МОП-транзистор станет самым горячим компонентом, и его температура едва превышает 30°C. Это синхронный силовой МОП-транзистор, немного холоднее при 29°C.

Силовой индуктор также является элементом, который может сильно нагреваться, едва превышая 30°C. Последнее, что мы будем измерять, — это входной алюминиевый электролитический конденсатор, который почти не нагревается. Это означает, что он должен иметь долгий срок службы.

Если вы смотрели раздел о линейных регуляторах, то помните, что этот дискретный линейный регулятор (показана печатная плата) имеет большой-большой радиатор, управляющую микросхему и дискретный силовой транзистор. Итак, мы сравним это с понижающим преобразователем, который мы только что сделали.

Синий мультиметр — это выходной ток (IOUT), а оранжевый мультиметр — выходное напряжение (VOUT), поэтому на самом деле нагрузка здесь, общее сопротивление которой составляет 1 Ом, потребляет такой большой ток, что на самом деле здесь он немного снижается до выходного напряжения. Но это все равно хороший тепловой тест, температура окружающей среды здесь около 27°C. Единственное, что действительно имеет значение в линейном регуляторе, — это сам чип, который в данном случае является дискретным проходным элементом.

Если я прикреплю к нему датчик температуры, он будет приятным и горячим, вероятно, выше 100°C. У меня кончик термопары находится прямо на стыке радиатора и вывода этого дискретного силового МОП-транзистора. Разница огромная, но помните, что ни один из компонентов понижающего регулятора не должен иметь температуру выше 31 или 32°C или около того. Я выключу его, так как он перегревается.

Сравнение входных и выходных пульсаций

Buck input voltage ripple- Пульсации входного напряжения

LDO input voltage ripple - Пульсации входного напряжения LDO

Sensitive loads many need a hybrid solution - Чувствительные нагрузки в большинстве требуют гибридного решения

Линейные регуляторы, без сомнения, превосходят импульсные регуляторы, когда речь идет о низком уровне проводящего шума. Это касается их входных данных, которые мы видим здесь в верхней части экрана, и на них могут распространяться законодательные ограничения, а также их выходных данных, которые часто чувствительны к шуму. Например, большинство цифровых схем чувствительны к шуму определенных частот.

Три способа уменьшить пульсации напряжения, когда рассеиваемая мощность или преобразование напряжения вынуждают вас использовать переключатель:

• №1 – тщательно выбирайте топологию вашего импульсного регулятора. Помните, что понижающие регуляторы более шумны на входах, чем на выходе, а повышающие регуляторы — наоборот. Инвертирующие повышающе-понижающие регуляторы и обратноходовые регуляторы шумят на обоих концах. Но это цена, которую приходится платить за увеличение или уменьшение выходного напряжения.

• №2 – Добавьте выходной фильтр нижних частот. Обычно фильтр состоит из катушки индуктивности и конденсатора (LC-фильтр). Фильтры всегда низкочастотные, потому что вам нужен чистый постоянный ток, а шум по своей природе — переменный ток.

• №3 – Используйте импульсный регулятор, чтобы подобраться очень близко, но чуть выше желаемого значения VOUT, а затем используйте LDO в качестве так называемого «пост-регулятор». Это сводит к минимуму рассеиваемую мощность в LDO и делает выходное напряжение очень плавным.

Чтобы сравнить пульсации напряжения источника питания, у меня есть понижающий стабилизатор слева и мой LDO с дискретным силовым транзистором справа. Каждый из них использует +12 В от блока питания ATX. Каждый из них имеет одинаковую нагрузку, два мощных резистора сопротивлением 8 Ом, включенных параллельно, что в сумме составляет нагрузку 4 Ом, и на предыдущем слайде вы видели пульсации входного напряжения.

Сравнение пульсаций выходного сигнала регулятора

Теперь мы используем осциллограф для измерения двух пульсаций выходного напряжения. Опять же, выходное напряжение 5 В для LDO и выходное напряжение 5 В для понижающего регулятора. Если мы посмотрим на осциллограф, пульсации понижающего регулятора будут желтыми, а пульсации LDO — синими.

На первый взгляд вы можете сказать, что они выглядят почти одинаково, но большая часть пульсаций, которые мы видим синим цветом, является результатом шумовой связи с понижающим преобразователем. Если мы вытащим пробник, мы увидим, что шум LDO намного ниже.

Сравнение излучаемого шума

Does my radio still work? - Мое радио еще работает?

Линейные регуляторы также излучают гораздо меньше шума, чем импульсный стабилизатор, даже если коммутатор обрабатывает гораздо меньшую мощность. Когда я проектирую источники питания, на проектирование фильтров и схем снижения электромагнитного шума обычно уходит столько же времени или больше, сколько на проектирование самого коммутатора.

Если вы знаете кого-то, кто сдавал свой продукт на испытания в лабораториях UL в США или на испытания CE в Европе, то у них могут быть истории о том, как они потратили дни на исправление методом проб и ошибок кондуктивного или, что более распространено, излучаемого шума, выходящего за пределы. Это еще одна причина, по которой я использую линейные регуляторы всякий раз, когда могу.

Чтобы продемонстрировать электромагнитные помехи (EMI), у меня есть радиоприемник AM (амплитудно-модулированный), настроенный примерно на 600 кГц, что находится в диапазоне частоты переключения этого понижающего регулятора. Сейчас он не включен, и мы можем слушать разговорное радио на испанском языке. Когда я включаю схему, конечно же, появляется шум. Когда я подношу радиоприемник ближе к источнику, то есть к коммутационному узлу и индуктору, тем больше помех мы слышим.

Еще раз для теста на электромагнитные помехи я настроил AM-радио примерно на 600 кГц или около того, и ранее мы видели с помощью понижающего регулятора, что, как только я включил его, мы не услышали ничего, кроме статического шума. Когда я включаю линейный регулятор, мы получаем примерно одинаковую выходную мощность, но, несмотря на небольшие помехи, мы прекрасно слышим AM-радио, даже если приблизимся к источнику питания, и это Прелесть линейных регуляторов в том, что излучаемый шум очень мал.

Еще один тест. Сейчас у меня такое же радио, но теперь оно настроено на FM (частотно-модулированный) 92 МГц и звучит хорошо. Если я поднесу антенну близко, помехи начнутся снова. Это происходит потому, что импульсный инвертор не только работает на частоте от 400 кГц до 1 МГц, но и имеет много гармоник, а также высокочастотный шум. Они расширяют и мешают работе FM-диапазона.

Теперь мы собираемся протестировать линейный регулятор. У меня есть FM-радио, и, когда антенна закрыта, я включаю его, но нужно действовать быстро, потому что оно становится очень горячим, как вы можете видеть, оно потребляет здесь большой ток и напряжение, и что бы я ни делал, мы может продолжать слушать испанское радио.

На этом завершается часть 3 об источниках питания для стран, не относящихся к EE. На данный момент это последний урок из этой серии, и мне было очень приятно создавать эти статьи и видео. От себя и от имени сайта Electronics-tutorials.ws я искренне надеюсь, что вы чему-то научились, и еще раз спасибо за внимание.

Конец транскрипции.

Вы можете найти дополнительную информацию и отличное руководство о различных типах блоков питания, перейдя по этой ссылке: https://www.electronics-tutorials.ws/power/switch-mode-power-supply.html