Технологии энергосбережения в источниках питания

Имея многолетний опыт в области силовой электроники, компания ON Semiconductor играет активную роль в борьбе за снижение энергопотребления. В 80-е годы на рынке появилось семейство ИС UC384X - надежные контроллеры для импульсных преобразователей (SMPS-контроллеры). В то время вопрос экономии электроэнергии не стоял так остро, и типовой источник питания на базе схемы UC384X потреблял 10 Вт в режиме ожидания. Ранее компания ON Semiconductor представила удачное семейство MC4460X, назначением которого было существенное снижение потребляемой мощности бытовых устройств в режиме ожидания. В настоящее время ON Semiconductor предлагает полупроводниковые компоненты для построения надежных и дешевых источников питания с низким энергопотреблением (ниже 300 мВт).

Источники потерь электроэнергии, и что с этим делать?

В электронном оборудовании потери энергии делятся на две основные категории: потери в режиме ожидания (до 25%) и активные потери. Потери в режиме ожидания возникают, когда питание оборудования «выключено», но рассеиваемая мощность все равно присутствует, а активные потери возникают из-за неэффективности процесса преобразования энергии, обычно в источниках питания.

В качестве одного из наиболее успешных проектов по энергосбережению можно привести программу ENERGY STAR®, реализованную в США. Она направлена на продвижение более эффективных продуктов и побуждает потребителей покупать именно их.

Другой источник скрытых потерь лежит в гигантском количестве электроприборов, которые остаются включенными в розетки, не выполняя своих функций. Специальный термин «утечка электричества» характеризует устройства, которые пользователи оставляют включенными в режиме ожидания. Если все эти малые потери уменьшить или даже полностью устранить, можно было бы получить существенную экономию энергии.

Движущие силы

Современная энергетика сталкивается со многими проблемами, обусловленными следующими факторами:

• Области применения регулирования электроэнергии становятся все более обширными. Эти сферы требуют повышения КПД преобразователей электропитания во всех режимах. Например, в соответствии с требованиями американской программы Energy Star потери мощности внешних источников питания в режиме ожидания не должны превышать 0,5Вт, а КПД должен быть не ниже 80%.
• Повышение требований к уровню гармонических искажений. Стандарт IEC 1000-3-2 является обязательным к применению в странах ЕС и Японии, а также используется во многих других странах на добровольной основе. Именно этим фактом обусловлено применение корректоров коэффициента мощности (ККМ) во входных каскадах импульсных источников питания.
• Увеличение удельной мощности, поскольку конечные потребители хотят получить большую функциональность при миниатюрных размерах устройств.
• Уменьшение периода от начала разработки изделия до выхода его на рынок требует модульного подхода к разработке электрических систем.

Чем сильнее три первых фактора, тем ниже способность традиционных топологий соответствовать этим требованиям. Однако разработчики не в состоянии полностью использовать преимущества новых подходов из-за необходимости уменьшения времени разработки. Предоставляя современную элементную базу и средства разработки, компания ON Semiconductor тем самым минимизирует временные затраты на производство конечного продукта.

Появление альтернативных топологий позволяет решать широкий спектр задач и при этом соответствовать новым требованиям. Причина, по которой эти топологии являются более подходящими, заключается в оптимизации всех элементов системы питания (трансформаторы, катушки индуктивности, силовые ключи, выпрямительные диоды, демпфирующие цепи и т.д.).

Топологии для повышения
эффективности

Рассмотрим более подробно две топологии импульсных преобразователей, применяемые в среднем диапазоне мощностей. Это прямоходовой импульсный преобразователь на основе топологии active clamp и несимметричный полумостовой преобразователь. Оба этих подхода обладают достоинствами и обеспечивают высокое значение КПД по сравнению с традиционными топологиями, но выбор того или другого зависит от конкретной задачи. Импульсный преобразователь на основе топологии active clamp является модификацией прямоходового преобразователя.

Основные достоинства данной топологии:

• Широкий диапазон входных напряжений.
• Значение рабочего цикла может превышать 50%. Этот факт позволяет оптимально подобрать ток первичной стороны.
• Уменьшение потерь при переключении транзисторов. Минимальные потери достигаются при «мягком» переключении полевых транзисторов.
• Применение синхронного выпрямителя. Наличие синхронного выпрямителя уменьшает потери в выходном каскаде импульсного преобразователя.

При реализация источника питания на основе топологии active clamp возникают следующие проблемы:

• Выбор элементной базы;
• Предварительный расчет трансформатора;
• Точный временной контроль за переключением силового и вспомогательного транзистора;
• Контроль значения рабочего цикла;

Эти проблемы можно решить с помощью специализированного контролера NCP1562.

Семейство NCP1562x - это семейство контроллеров, предназначенных для разработки DC/DC-преобразователей c высоким значением КПД и минимальным количеством элементов (рис. 1).

Рис. 1. Высокоэффективный блок питания ATX мощностью 305 Вт, базовая схема