Режим серийного режима может иметь неблагоприятные и часто непредвиденные последствия для радиочастотных излучений и совместимости с конечными продуктами
Автор: ZACH KILLOY, Инженер-программист, партнеры по энергетике
www.powerpartners-inc.com
В ответ на новые стандарты эффективности внешнего источника питания производители электропитания используют режим пакетного режима для снижения энергопотребления в режиме ожидания внешних адаптеров питания. Тем не менее, режим пакетного режима может иметь неблагоприятные и часто непредвиденные последствия для радиочастотных излучений и совместимости с конечным продуктом. В этой статье будут рассмотрены эти два вопроса и их возможные последствия, а также возможные решения.
Как известно большинству в отрасли потребительской электроники, новые принципы эффективности энергоэффективности Департамента энергетики (DOE) для внешних источников питания вступили в силу 10 февраля 2016 года. Часть этих новых стандартов эффективности нацелена на паразитные нагрузки, которые требуют мощности без нагрузки потребление для внешних источников питания (EPS) должно быть не более 210 мВт в большинстве случаев. Это не малый успех для источников питания, и для удовлетворения новых требований большинство конструкций электропитания используют технологию под названием «Режим серийного режима».
Режим серийного режима - это условие, когда схема управления питанием и коммутационная схема временно отключены, когда на выходе нет нагрузки. Режим серийного режима - это функция, содержащаяся во многих микросхемах контроллера ШИМ, используемых в источниках питания с коммутационным режимом (SMPS). Он работает с использованием схемы обратной связи источника питания; когда на выходе источника питания очень низкие нагрузки, конструкция источника питания обеспечивает надлежащее смещенное напряжение на штыре, которое управляет работой импульсного режима, эффективно отключая блок питания в течение короткого периода времени (порядка миллисекунд) пока выходное напряжение не будет достаточно для повторного включения питания. Периодически отключая основные цепи источника питания в условиях очень низкой нагрузки или без нагрузки, блок питания может потреблять гораздо меньше энергии, чтобы удовлетворить среднему потреблению потребляемой мощности без нагрузки 210 мВт.
Распространенность адаптеров переменного / постоянного тока значительно увеличилась за последние 20 лет. Так много источников питания остаются включенными в нашу электрическую сеть, когда они не используются, что снижение «потребляемой мощности без нагрузки» стало важным фактором снижения общего потребления энергии. Подумайте о том, сколько зарядных устройств для телефона, зарядных устройств для ноутбуков и зарядных устройств для планшетов вы можете подключить к себе домой или в офисе: все эти зарядные устройства потребляют энергию, и, хотя потребляемая мощность отдельного зарядного устройства низка, паразитное энергопотребление может добавить когда учитываются все домохозяйства и офисы по всему миру.
Несмотря на то, что режим пакетного режима является инновационным подходом к ограничению потребления энергии без нагрузки, все же существует ряд проектных последствий для рассмотрения. Вот два случая, когда мы видели проблемы, связанные с режимом работы:
Случай 1: колебания напряжения
Недавно у Power Partners у одного из наших клиентов было несколько подразделений, которые не выполнили свою процедуру инспекции. Блоки не выполнили «функциональный тест питания». При подключении к концевому оборудованию оборудование не включалось. В течение некоторого времени клиентская программа находилась в производстве, и они регулярно размещали заказы без каких-либо сообщений. Мы с нетерпением ждали, почему ряд единиц из одной партии не проходит.
Клиент получил несколько единиц для оценки. Когда мы получили возвращенные единицы, мы быстро обнаружили потенциальную проблему: хотя выходное напряжение стало устойчивым с DVM, осциллографы сканировали, что выходное напряжение колебалось примерно на +/- 5% вокруг указанного выходного напряжения, когда источники питания были выгружен. Эти источники питания были спроектированы так, чтобы работать в режиме пакетного режима без нагрузки и колебания выходного напряжения ожидались, но из-за допусков на компоненты выходы некоторых более ранних партий могут не изменяться. Разумеется, после разговора с клиентом мы поняли, что их холостая нагрузка была очень низкой, и у них была какая-то схема блокировки под напряжением в их системе, которая предотвратила бы ее включение с низким или нечистым входным напряжением.
В то время как выходное напряжение все еще находилось в пределах нашей спецификации +/- 5%, необычная форма сигнала, вызванная работой режима пакетной работы, заставила оборудование войти в состояние блокировки пониженного напряжения и оставаться выключенным. К счастью, мы смогли отрегулировать заданное значение временного режима так, чтобы нашему клиенту не приходилось вообще ничего менять на свое оборудование. Хотя регулировка заданного значения увеличивала потребление энергии без нагрузки, она оставалась ниже требования 210 мВт, а блок питания сохранял рейтинг уровня VI.
Рисунок 1: Выход источника питания с 12-V / 120-W уровнем VI без нагрузки (слева на рисунке 1a) и загружен до 1 A (справа на рисунке 1b). Сигнал пильного диска слева является результатом работы в режиме пакетной работы. Под нагрузкой выход показывает типичные пульсации и шум переключения. Обратите внимание на разницу в частоте.
Случай 2: Радиочастотные излучения
В другом примере один из наших существующих клиентов обновлялся до нового источника питания, совместимого с уровнем VI, при их новой редакции продукта. В связи с новым дизайном продукта и новым источником питания, систему пришлось переоценить по сравнению с существующими стандартами безопасности и электромагнитной совместимости для оборудования информационных технологий. Когда тестовая лаборатория EMC оценивала систему электронных излучений, они обнаружили, что система на холостом ходу превысила пределы выбросов, но прошла во время нормальной работы. Источники питания, как правило, излучают самые высокие уровни электронных выбросов при полной нагрузке, поэтому наш первоначальный инстинкт состоял в том, чтобы исследовать оборудование заказчика и посмотреть, что изменилось. Дальнейшая оценка, однако, показала, что холостая загрузка клиента была настолько низкой, что блок питания все еще работал в режиме пакетной съемки. Из-за резонансной топологии источника питания выбросы были чрезвычайно низкими при нормальной работе. В пакетном режиме все было немного иначе.
Несмотря на то, что блок питания прошел испытания на выбросы при низкой нагрузке, запас прохода находился в пределах нескольких дБ. Сочетание выбросов электропитания и выбросов оборудования было достаточно, чтобы вызвать сбой на системном уровне. Изучая, как работает блок питания в режиме пакетной съемки, стало более очевидным, почему это происходит.
В режиме пакетного режима частоту переключения можно модулировать в широком диапазоне для поддержания выходного напряжения. Это условие сохраняется до тех пор, пока ток не достигнет порогового значения для источника питания, чтобы войти в активный режим PWM. Изменения частоты переключения при малой нагрузке и дополнительное повторное включение контроллера IC и схемы управления означают, что только фильтры EMI, встроенные в устройство, недостаточно для адекватного подавления EMI. Фильтры EMI были оптимизированы для работы на частоте фиксированного переключения источника питания. Опять же, мы смогли отрегулировать заданное значение пакетного режима, изменив некоторые резисторы в контуре обратной связи и все еще сохраняя потребление мощности без нагрузки в пределах.
Рисунок 2: Работа в режиме пакетной передачи в резонансной топологии 12-V / 90-W, соответствующая уровню VI. При отсутствии нагрузки (верхний левый) амплитуда выходного сигнала низкая, но при нагрузке до 500 мА частота и амплитуда импульса значительно возрастают (вверху справа), что может повлиять на оборудование и вызвать повышенные электронные выбросы. При выходной нагрузке 800 мА (в нижней части) устройство переходит в активный режим, а пульсация выходного сигнала и шум снижаются до нормального уровня.
При все более широком использовании продуктов преобразования энергии в домашних хозяйствах по всему миру абсолютно важны мандаты в области эффективности и технологические достижения, которые делают их возможными. Однако важно учитывать последствия этих мер по повышению эффективности. В обоих случаях, описанных в этой статье, решение было относительно простым и требовало очень небольшой реорганизации. В будущем, по мере увеличения требований к повышению эффективности и использования схем схем питания, необходимо будет принять больше мер для смягчения побочных эффектов, вызванных этими новыми технологиями.
ZACH KILLOY, инженер-технолог, Power Partners, www.powerpartners-inc.com