Suunnittelijan on kyettävä arvioimaan teholähteen vaikutukset järjestelmän suorituskykyyn, luotettavuuteen, pitkäikäisyyteen ja teknisten määräysten täyttämiseen. Se edellyttää ymmärrystä siitä, miten teholähde pystyy vastaamaan odotettuihin tai odottamattomiin muutoksiin tulo- ja lähtöjännitteen puolella sekä ympäristöoloissa. Seuraavassa on esitetty tärkeimpiä näkökohtia, jotka on otettava huomioon, kun sovellukseen valitaan sopivaa teholähdettä.
| Artikkelin kirjoittaja Ron Stull toimii CUI-yhtiössä tehonsyöttöjärjestelmien suunnittelijana. |
Teholähde voi joutua sietämään poikkeavia käyttöoloja määriteltyjen normirajojen ulkopuolella esimerkiksi tulopuolen yli- tai alijännitteen sekä lämpötilan ja kuormituksen vaihtelujen vuoksi. Nämä ongelmat saattavat johtaa laitteen sammumiseen, suorituskyvyn heikkenemiseen tai komponenttien vaurioitumiseen. Tunnistaakseen kuhunkin sovellukseen parhaiten sopivan teholähteen suunnittelijan on tiedettävä, kuinka valittu teholähde toimii, kun sitä käytetään määriteltyjen rajojen ulkopuolella.
Tulopuolen yli- tai alijännite
Teholähteen tulopuolella verkkovirran jännitevaihtelut voivat ylikuormittaa välttämättömiä suojaus- ja suodatuskomponentteja kuten X-kondensaattoreita, Y-kondensaattoreita ja metallioksidi-varistoreja (MOV), jotka nähdään kuvassa 1. Kaikilla näillä on tunnetut vikaantumistavat, jos ne altistetaan nimellisarvon ylittäville jännitteille. Esimerkiksi X-kondensaattorit on suunniteltu menemään oikosulkuun ja aiheuttamaan näin sulakkeen palamisen ja teholähteen sammumisen. Y-kondensaattorit puolestaan on suunniteltu vikaantumaan niin, että virtapiiri jää avoimeksi. Tämä saattaa jäädä joksikin aikaa huomaamatta, vaikka kondensaattori lakkaa suodattamasta yhteismuotoista kohinaa tehokkaasti.
Kuva 1. Teholähteen tulopuolen komponentit, jotka ovat alttiita ylijännitteille.
Ylijännitteiden vaikutukset sulakkeeseen riippuvat sille annetusta jännitteen nimellisarvosta tai jännitekestoisuuden maksimilukemasta. Jos sulakkeelle syötettävä jännite ylittää annetun arvon, voi syntyä valokaari, joka estää sulaketta suojaamasta virtapiiriä halutulla tavalla. Tämä lisää tulipalon vaaraa ja voi aiheuttaa ongelmia tulopuolen tai kuorman virtapiireissä.
Ylijännitteet synnyttävät teholähteen piireihin myös loiselementtejä, mikä voi lisätä jännitteen aiheuttamaa rasitusta tehopuolijohteissa. Flyback-tyyppisessä muuntimessa jännitteen huippuarvo tehokytkimen yli määräytyy tulo- ja lähtöjännitteen sekä muuntosuhteen ja vuotoinduktanssin yhdistelmästä. Sitä voi olla vaikea laskea ja se on yleensä mitattava suoraan.
Alijännite puolestaan kasvattaa virtaa muun muassa sulakkeissa, tasasuuntimissa ja tehokytkimissä aiheuttaen niiden kuumenemista, mikä voi johtaa nopeaan vikaantumiseen tai heikentää luotettavuutta. Suuri virta voi myös aiheuttaa induktanssin alenemista tai PFC-kuristimien (Power Factor Correction) kaltaisten magneettikomponenttien kyllästymisen. Joissakin piirirakenteissa tämä voi tuottaa vaurioittavia virtapiikkejä tehokytkimelle, kohottaa toimintataajuutta ja alentaa hyötysuhdetta tai sulkea teholähteen kokonaan.
Toisissa rakenteissa alhainen tulojännite voi vaikuttaa toimintataajuuteen tai toimintajaksoon (duty cycle) ja häiritä teholähteen oikeaa toimintaa. Esimerkiksi LLC-resonanssiin perustuvissa muuntimissa toimintataajuuden muuttaminen säätää lähtöjännitettä. Jos tulojännite laskee, taajuutta alennetaan tulo-lähtö-vahvistuksen lisäämiseksi ja lähtöjännitteen pitämiseksi vakaana. On kuitenkin olemassa tietty minimitaajuus, jonka alapuolella lisävähennys pienentää vahvistuskerrointa ja voi siten aiheuttaa toimintahäiriöitä tai teholähteen vikaantumisen.
Vaikutukset tehokertoimen korjauspiireihin (PFC) tulisi myös ottaa huomioon. Boost-tyyppinen PFC-muunnin lakkaa säätämästä, jos tulojännite nousee lähtötason yläpuolelle.
On tietysti olemassa useita tapoja teholähteen suojaamiseksi tulojännitteen liiallisilta vaihteluilta. Suuritehoisissa teholähteissä on usein suojapiiri, joka käynnistää alasajon, jos tulojännite laskee tietyn kynnyksen alapuolelle. Muun tyyppiset suojausmekanismit antavat teholähteen jatkaa toimintaansa, vaikka suorituskyky saattaakin tämän tuloksena heiketä. Esimerkiksi LLC-muunnin voi painaa toimintataajuuden minimitasolle estääkseen virheellisen toiminnan. Vaikka tämä auttaa suojaamaan teholähdettä vaurioitumiselta, se johtaa lähtöjännitteen säädön menetykseen.
Lähtöpuolen ylivirta
Kustannusten säästämiseksi tai teholähteen koon pienentämiseksi suunnittelijoilla voi olla houkutuksena mitoittaa teholähde tyypillisten kuormitusvaatimusten mukaisesti ottamatta kuitenkaan huomioon nimellisarvon ylittävien lyhytkestoisten kuormavirtojen vaikutuksia. Useimmat teholähteet sisältävät ylivirtasuojauksen, mutta niitäkin on monenlaisia. Joillekin on tarkasti määritelty virtaraja lähellä lähdön maksimiarvoa, minkä vuoksi teholähde voi sammua toistuvasti, jos virtaraja on väärin mitoitettu kyseiseen sovellukseen.
Muut ratkaisut ovat joustavampia ja sallivat lyhytaikaisten lähtövirtojen ylittää nimellisrajan. Tämän tyyppisin suojauksin varustetuissa tai kokonaan suojaamattomissa teholähteissä ylivirran aiheuttama lämpötilan nousu voi heikentää suorituskykyä tai aiheuttaa MOSFETien, diodien, vastusten tai jopa kuparijohtimien vaurioitumisen. On syytä huomata, että tehohäviö kasvaa lineaarisesti diodien virran mukana niiden kiinteän jännitteen vuoksi, mutta eksponentiaalisesti MOSFET-transistoreissa ja resistiivisissä komponenteissa.
Ylivirta vaikuttaa kuristimiin ja muuntajiin monimutkaisemmin. Käämin resistanssin vuoksi ilmenee sisäistä kuumenemista, mutta lisäksi ytimen magneettimateriaalin häviöt voivat kasvaa ja syntyä jopa magneettinen kyllästyminen, mikä johtaa yhä suurempaan tehohäviöön ja lämmöntuottoon.
Magneettimateriaalin kyllästyminen voi myös estää koko teholähteen toiminnan tai lisätä komponenttien vioittumisriskiä. Buck-tyyppisessä muuntimessa, jossa virran aaltoisuus (ripple) on suoraan verrannollinen induktanssiin, kyllästymisestä aiheutuva induktanssin menetys aiheuttaa myös virrankasvua MOSFETeissa ja diodeissa.
Muuntajan vuotoinduktanssin kaltaisten loisinduktanssien vaikutukset on myös otettava huomioon. Ne voivat tuottaa jännitepiikkejä, kun kytkimet vaihtavat tilaansa, ja tämä lisääntyy suurilla kuormitustasoilla. Korkea jännitepiikki voi tuhota MOSFETin tai saada virta- ja jänniteanturit lähettämään epätarkkoja tietoja ohjaimelle, mikä saattaa huonontaa suorituskykyä tai aiheuttaa vikaantumisen.
Teholähteen hyötysuhteen vaihtelu, etenkin lähellä määriteltyä maksimikuormitusta, vaikuttaa myös suorituskykyyn ja luotettavuuteen. Hyötysuhteen huippulukemaan päästään yleensä täyden kuorman alapuolella. Tämän optimitason yläpuolella hyötysuhde laskee, jolloin tehohäviö kasvaa eksponentiaalisesti suhteessa kuormavirtaan.
Kuumenemisen lisäksi tämä voi myös estää teholähteen yltämisen määräysten mukaisiin hyötysuhdelukemiin. Kuvasta 2 nähdään, kuinka 200 watin teholähteen hyötysuhde laskee prosentin verran huippulukemasta, kun toimitaan 20 % nimellistehon yläpuolella, mutta se aiheuttaa peräti 30 prosentin nousun tehohäviöön.
Kuva 2. Pieni muutos hyötysuhteessa kasvattaa tehohäviötä eksponentiaalisesti.
Kuorman regulaatio eli lähtöjännitteen maksimimuutos tyhjäkäynnistä täyteen kuormaan olisi myös otettava huomioon. Määritetyn kuormitusalueen yläpuolella toimiminen voi johtaa lähtöjännitteen laskuun alle reguloidun jännitteen raja-arvon (kuva 3). Joillekin pienille teholähteille on määritelty myös kuormitusvirran alaraja. Laitteen käyttäminen tämän rajan alapuolella saattaa vaarantaa säädön samalla tavoin kuin kuormitusvirran maksimiarvon ylittäminen.
Kuva 3. Teholähteen lähtöjännitteen regulointi voidaan menettää, jos suurin sallittu kuorma ylitetään.
Ympäristö huomioitava
Teholähteen valinnassa on otettava huomioon myös ympäristöolojen vaikutukset. Liian korkea tai alhainen lämpötila voi vaikuttaa merkittävästi suorituskykyyn ja luotettavuuteen. Esimerkiksi elektrolyyttikondensaattorien käyttöikä voi lyhentyä jopa 50 prosenttia, kun ympäristön lämpötila nousee vain 10°C. Vastaavasti alhaiset lämpötilat voivat aiheuttaa juotosten, liitosten ja komponenttijohtimien haurastumista, mikä yleensä johtaa ennenaikaiseen vikaantumiseen.
Jotta voitaisiin varmistaa, että komponentit toimivat valmistajien spesifikaatioiden mukaisesti, on käyttölämpötilalle asetettava sekä ylä- että alarajat. Tämän lämpötila-alueen ulkopuolella suorituskykyä ei voida taata, ja teholähteen hyötysuhde voi huonontua, lähtöjännitteen aaltoisuus kasvaa, säätöominaisuudet heiketä ja melutasonormit jäädä täyttämättä.
Teholähteen tärkeimmillä komponenteilla voi olla joko positiivinen tai negatiivinen lämpötilakerroin (PTC tai NTC). MOSFET-kytkimet ovat PTC-komponentteja, joiden kytkentäresistanssi kasvaa lämpötilan noustessa. Tämän seurauksena tehohäviöt kasvavat ja komponentti kuumenee.
Tasasuuntaussillan diodit sen sijaan ovat NTC-komponentteja, joten niiden myötäsuuntainen jännite alenee lämpötilan noustessa. Tämän vuoksi myös niiden sisäinen tehohäviö ja lämmöntuotto vähenevät lämpötilan noustessa. Lämpötilan muuttuessa kunkin teholähteen rakenteesta riippuen joko PTC- tai NTC-komponentit ovat määräävässä asemassa aiheuttaen joko kokonaishyötysuhteen paranemisen tai heikentymisen.
Teholähteen ohjaamiseen ja käyttöolojen tunnistamiseen käytettävät anturivastukset kuluttavat tyypillisesti hyvin vähän virtaa eivätkä siten ole alttiita liialliselle tehohäviölle tai kuumenemiselle. Niiden resistanssiarvo kuitenkin muuttuu lämpötilan muuttuessa. Tämä saattaa johtaa epätoivottuihin muutoksiin teholähteen parametreissa kuten reguloidun lähtöjännitteen tasossa. Muita vaikutuksia voivat olla vastusten avulla mitattuun virtaan perustuvien suojamekanismien liian aikainen tai myöhäinen liipaisu.
Alhaisissa lämpötiloissa elektrolyyttikondensaattorien kapasitanssi pienenee (kuva 4), mikä lisää virran aaltoisuutta tai estää teholähteen käynnistymisen. Lisäksi NTC-tyyppisten komponenttien - esimerkiksi syöksyvirtaa rajoittavien termistorien - resistanssi kasvaa ympäristön lämpötilan laskiessa, mikä voi heikentää hyötysuhdetta tai estää käynnistymisen.
Kuva 4. Alumiinipohjaisen elektrolyyttikondensaattorin kapasitanssin muutos lämpötilan suhteen.
Jotkut teholähteet sisältävät ylikuumenemissuojan, jonka ansiosta ne sammuvat, kunnes lämpötila palautuu määrätyn rajan alapuolelle. Joissakin teholähteissä on suojaus vain tietyille komponenteille tai oheispiireille, mikä voi aiheuttaa ongelmia, jos jotkin teholähteen osat sammuvat, mutta toiset jatkavat toimintaansa.
PTC-tyyppisillä komponenteilla kuten MOSFETeilla on yleensä sisäänrakennettu suojamarginaali ylikuumenemista vastaan. Marginaali riippuu kuitenkin käyttöoloista (mm. tulojännitteestä) ja se voi joillakin toiminta-alueen osilla olla kapeampi kuin toisilla.
Häiriöt huomioitava
Yli- tai alijännitteen vaikutukset sähkömagneettisiin häiriöihin (EMI) tulisi myös käydä läpi. Tulopuolen yli- tai alijännite tai ylisuuri lähtövirta voi muuttaa EMI-suodatuskomponenttien ominaisuuksia tai heikentää niiden suorituskykyä ylikuormituksen vuoksi. Vaikutuksia on melko vaikea arvioida, mutta ne voivat olla merkittäviä ja estää EMC-määräysten täyttämisen.
Ratkaisuja erityistarpeisiin
Suunnittelijan on kyettävä arvioimaan teholähteen vaikutukset järjestelmän suorituskykyyn, luotettavuuteen, pitkäikäisyyteen ja teknisten määräysten täyttämiseen. Se edellyttää ymmärrystä siitä, kuinka teholähde voi toimiessaan vastata odotettuihin tai odottamattomiin muutoksiin tulo- ja lähtöjännitteen puolella sekä ympäristöoloissa.
Teholähteisiin erikoistuneella CUI-yhtiöllä on laaja valikoima ac-dc-teholähteitä ja dc-dc-muuntimia, joiden kaikki tärkeimmät suoritusparametrit vastaavat suunnittelijoiden erityisvaatimuksiin monenlaisten järjestelmien suunnittelussa.
Saksalaislähtöinen Ubitium on kehittänyt innovatiivisen prosessoriarkkitehtuurin, joka yhdistää eri suorittimien (CPU, GPU, DSP, FPGA) toiminnot yhteen siruun. Yrityksen mukaan tämä uusi RISC-V-arkkitehtuuriin perustuva ratkaisu mullistaa yli 50 vuotta vanhan suorittimien suunnittelun.
Moni uusi sähköauton omistaja kokee toimintasädeahdistusta. Tätä ongelmaa autonvalmistajat voivat helpottaa siirtymällä piipohjaista IGBT-piireissä piikarbidiopohjaisiin siruihin. auton vetoinvertterissä.
