Lähes mitä tahansa teholähteitä voi kytkeä rinnakkain, mutta joskus se vaatii useiden ulkoisten komponenttien käyttämistä. Käyttäjän on tunnettava tarkasti kunkin laitteen ominaisuudet, eikä yhdistelmällä aina päästä yhtä hyvään suorituskykyyn kuin isommalla yksittäisellä teholähteellä.

Usein syntyy tarve syöttää kuormaan enemmän virtaa, kuin saatavilla olevan teholähteen virransyöttökyky sallii. Tällöin on mahdollista liittää kaksi tai useampia teholähteitä rinnakkain ja saada näin haluttu virtamäärä kuormaan. Useiden virtalähteiden kytkeminen rinnakkain ei kuitenkaan takaa, että kuormavirta jakautuisi niiden kesken hyväksyttävällä tavalla. Useat eri tekijät vaikuttavat mahdollisiin ongelmiin, kun teholähteet konfiguroidaan rinnankytkentään jakamaan kuormavirtaa.

Jotkut teholähteet sisältävät edistyneitä piiriratkaisuja, joita hyödynnetään virran asianmukaisen jaon varmistamiseksi, kun laite on sijoitettu rinnankytkentään. Käyttäjän tulisikin tutustua huolellisesti laitetoimittajan dokumentteihin ymmärtääkseen, kuinka teholähde konfiguroidaan oikeaoppisesti virranjakoa varten.

Tässä artikkelissa esitetään joitakin teholähteiden perusominaisuuksia ja käydään läpi niiden rinnankytkentään soveltuvia menettelytapoja tapauksissa, joissa teholähteille ei ole annettu erityisiä ohjeita niiden rinnakkain kytkemistä varten.

Ideaalinen jännitelähde

Ideaalinen jännitelähde ylläpitää tasaisen jännitteen kuorman yli ja kykenee syöttämään rajattomasti virtaa. Tällaista toteutusta ei voi fyysisesti rakentaa, sillä siihen vaadittaisiin jännitelähde, joka kykenee tuottamaan äärettömän suuren tehon, kun kuormavirtaa rajattomasti kasvatetaan. Vaikka tällaista ideaalirakennetta ei käytännössä voi rakentaa, se on perusta, jolle kaikki teholähteet on suunniteltu.

Kuva 1: Ideaalinen jännitelähde (rajoittamaton lähtövirta).

Virtarajoitettu jännitelähde

Kaikissa reaalimaailman teholähteissä on rajoitettu virtamäärää, joka voidaan syöttää kuormaan. Jollakin kuormavirran tasolla lähtöjännite lopulta romahtaa nollaan volttiin. Teholähteen suunnittelija voi määrätä, kuinka romahtava lähtöjännite käyttäytyy, kun kuormavirta kasvaa yli arvon, jolle teholähde on suunniteltu. Virranrajoituskytkentä voidaan esimerkiksi suunnitella alentamaan asteittain lähtöjännitettä, kun Iout-virta ylittää sallitun maksimitason. Tai teholähde voidaan sulkea kokonaan, kun lähtövirta saavuttaa sallitun maksimiarvon.

Teholähde voidaan suunnitella toipumaan automaattisesti ylivirtatilanteesta tai niin, että laite vaatii aina ulkoisen resetoinnin tällaisen tapahtuman jälkeen. Virranrajoitustyypiltään erilaisia teholähteitä voidaan kytkeä rinnakkain, mutta käyttäjän pitää olla tarkasti tietoinen, kuinka kutakin laitetta voidaan hallita, jos se joutuu virranrajoitustilaan.

Kuva 2: Äärellisen syöttövirran jännitelähde (rajoitettu lähtövirta).

Jännitelähteen lähtöimpedanssi

Lähes kaikilla reaalimaailman jännitelähteillä on positiivinen, nollasta poikkeava lähtöimpedanssi. Tällöin lähtöjännite alenee, kun kuormavirta kasvaa. Lähtöjännitteen muuttumista kuormavirran mukaan luonnehtii teholähteiden spesifikaatioissa niiden kuormaregulaatio. Yleensä sen toivotaan muuttavan lähtöjännitettä mahdollisimman vähän virran kasvaessa. Vähäiseen jännitepudotukseen päästään alhaisella lähtöimpedanssilla. Kytkemällä useita teholähteitä rinnakkain, virrankasvun aiheuttamaa jännitepudotusta voidaan vähentää.

Joissakin teholähteissä on mukana ulkoisen jännitteen tunnistus, jonka avulla kuormana toimivan piiristön impedanssien haittavaikutuksia teholähteen lähtöimpedanssiin voidaan vähentää. Kun jännitteentunnistusta käytetään, kuormaregulaation heikkenemistä parasiittisten impedanssien vuoksi voidaan vähentää käyttämällä takaisinkytkentäsilmukkaa. Jäljempänä tässä artikkelissa selostetaan, miksi ulkoisen jännitteen tunnistus voi kuitenkin olla vähemmän toivottu ominaisuus virranjakoon perustuvissa sovelluksissa.

Kuva 3: Nollasta poikkeavan lähtöimpedanssin jännitelähde (rajoitettu lähtövirta, lähtöimpedanssi).

Jännitelähteen asetusarvovirhe

Reaalimaailman teholähteitä rakennettaessa syntyy aina virhettä jännitteen asetusarvoon. Tämä virhejännite voi olla positiivinen tai negatiivinen ja sen arvoa voidaan pienentää hyväksyttävälle tasolle valvomalla tuotannon toleransseja tai hienosäätämällä lopputuotetta. Mahdollisimman pieni asetusarvovirhe on eduksi, kun teholähteitä konfiguroidaan virranjakamista varten.

Kuva 4: Asetusarvovirheellinen jännitelähde (rajoitettu lähtövirta, lähtöimpedanssi, asetusarvovirhe).

Teholähteet rinnakkain

Ehkä yksinkertaisin menettely teholähteiden kytkemiseksi niin, että kuormaan syötettävää virtaa voidaan kasvattaa, on kytkeä teholähteiden lähdöt rinnakkain. Tämä yksinkertainen toteutustapa ei välttämättä kuitenkaan toimi, jos teholähteiden kuormavirran rajoitusominaisuudet ovat sellaiset, että toinen teholähteistä sulkee syöttönsä maksimivirran saavuttaessaan ennen kuin haluttu virta on syötetty kuormaan. Jos kumpi tahansa lähteistä saavuttaa virranrajoitustilan ja sulkeutuu, saattavat tämän seurauksena molemmat syötöt sulkeutua.

Kahden teholähteen rinnankytkentä ei toimi esimerkiksi silloin, jos virhe lähteiden alkuperäisten jänniteasetusten välillä on suurempi kuin lähdön jännitepudotus maksimikuormavirralla. Tässä tapauksessa toinen teholähde vastaa koko kuormavirrasta, kunnes sen syöttö sulkeutuu. Tämän jälkeen toinen teholähde yrittää alkaa syöttää koko kuormavirtaa, mutta sekin sulkeutuu koska on saavuttanut suurimman sallitun virran Imax.

Kuva 5: Jännitelähteiden rinnankytkentä (rajoitettu lähtövirta, lähtöimpedanssi, asetusarvovirhe).

Parannusta kuormanjakoon

Kuormavirran jakaminen teholähteiden kesken voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Valitettavasti monet näistä kuormanjakoa edistävistä tekniikoista alentavat teholähteiden suorituskykyä joko heikentämällä kuormaregulaatiota tai tehomuunnoksen hyötysuhdetta.

Lähtöjännitteen hienosäätö

Yksi menetelmä varmistaa rinnankytkettyjen teholähteiden asianmukainen kuormavirran jako on hienosäätää niiden kuormittamattomien lähtöjännitteiden välinen ero merkittävästi pienemmäksi kuin lähtöjännitteen pudotus täydellä kuormalla. Käytännössä teholähteen lähtöjännitteen hienosäätö saattaa kuitenkin olla melko epäkäytännöllistä tai jopa mahdotonta.

Jännitepudotuksen kasvattaminen

Toinen tapa parantaa kuormanjaon ominaisuuksia useiden jännitelähteiden kesken on kasvattaa kunkin teholähteen lähtöjännitteen pudotusta niin, että täydellä kuormalla se on merkittävästi suurempi kuin kuormittamattomien jännitteiden epäsovitus eri teholähteiden välillä. Tämän menettelyn huono puoli on se, että järjestelmän jänniteregulaatio heikkenee tahallisesti aiheutetun jännitepudotuksen vuoksi kuormavirran kasvaessa (kuormaregulaatio).

Jotkin teholähteet kykenevät sisäisesti säätämään lähtöjännitteen pudotuksen suuruutta. Tämä on tyypillisesti toteutettu säätämällä sisäistä referenssijännitettä kuormavirran mukaan.

Teholähteen jännitepudotusta voidaan kasvattaa myös ulkoisten vastusten avulla, ellei sisäistä jännitepudotuksen säätömahdollisuutta ole käytettävissä eikä tuloksena syntyvä kuormaregulaation heikennys ole liian suuri. Pudotusvastukset kytketään sarjaan teholähteiden lähtölinjojen kanssa, joten niiden läpi kulkeva lähtövirta aiheuttaa tehohäviön. Vastuksissa syntyvä jännitehäviö heikentää jänniteregulaatiota ja tehohäviö alentaa järjestelmän tehomuunnoksen hyötysuhdetta. Ulkoisina pudotusvastuksina voivat toimia teholähteen ja kuorman väliin sijoitetut johtimet, erillisvastukset tai näiden impedanssien yhdistelmät.

Kuva 6: Rinnankytketyt jännitelähteet (rajoitettu lähtövirta, lähtöimpedanssi, asetusarvovirhe, Rdroop-pudotusvastukset).

Jännitteentunnistuksen käyttö

Ulkoisen jännitteen tunnistusnastat tulisi kytkeä suoraan tehomoduulin Vout-nastohin, jos ulkoisia pudotusvastuksia käytetään virranjaon toteuttamiseen. Pudotusvastukset on tarkoituksellisesti valittu heikentämään teholähteiden kuormaregulaatiota. Perinteinen ulkoisen jännitteen tunnistus (sense-nastat kytkettyinä lähelle kuormaa) sen sijaan parantaa teholähteiden kuormaregulaatiota ja estää pudotuksen, jota tarkoituksella yritetään aikaansaada vastusten avulla.

Takaisinsyötön estäminen

Kun useiden teholähteiden lähtönavat on kytketty rinnan, on mahdollista, että yksi lähteistä saattaa syöttää virtaa muiden teholähteiden lähtöasteisiin. Monissa tapauksissa tämä on harmitonta eikä aiheuta merkittäviä ongelmia. Joissakin teholähteissä virran syöttäminen lähtöasteeseen saattaa kuitenkin aiheuttaa vaurioita ja siksi se pitäisi estää. Eräs yksinkertaisimmista tavoista estää virran takaisinsyöttö lähtöasteisiin on sijoittaa erotusdiodi sarjaan kunkin lähtöasteen kanssa. Teholähteiden syöttövirrat kulkevat näin erotusdiodien kautta, ja asetusarvoregulaatio, kuormaregulaatio sekä tehomuunnoksen hyötysuhde heikentyvät halutulla tavalla.

Kuva 7: Rinnankytketyt jännitelähteet (rajoitettu lähtövirta, lähtöimpedanssi, asetusarvovirhe, Rdroop-pudotusvastukset, erotusdiodit).

Lisätietoja teholähteistä ja niiden kytkennöistä on saatavissa CUI:n sivuilta osoitteessa www.cui.com/power.