Меню

Что такое кпд преобразователя напряжения

Заметки эгоиста о КПД

«Слушай, друг, у тебя хорошие глаза, сразу видно, что ты хороший человек. Там планета хорошая погибает, помоги.» Примерно так нам впаривают энергоэффективные и «зеленые» решения. Нет, я вовсе не говорю, что энергоэффективное устройство — это плохо. Попробуем посмотреть на это с эгоистичной точки зрения обычного пользователя.

В мире сейчас идет настоящая война за экологию и снижение энергопотребления.

Если раньше КПД блоков составлял 60-70% , в лучшем случае до 80%, то сейчас КПД некоторых БП выше 90%.

Такое стало возможным благодаря применению новых схемотехнических решений, а именно:

— В БП вместо диодов Шоттки стали применять синхронные выпрямители на мосфетах

— отдельные DС-DС преобразователи для выходных напряжений

БП стали сложнее и дороже , но вместе с тем за счет отсутствия жестких переходных процессов и снижения тепловыделения ,повысилась и надежность.

Что такое КПД? Идем в гугль и сразу находим : КПД — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой.

В ситуации с БП это отношение потребляемой системой энергии к потреблению «из розетки». Часто встречается ошибка не очень грамотных пользователей:

БП может выдать 600Вт по 12В его КПД 90%, значит он может выдать только 600х0.9=540 Вт. Неверно!

БП выдаст все 600Вт, которые заявлены (если производитель не приукрасил его возможности, конечно), но при этом он из сети будет потреблять 600 / 0.9= 666.67 Вт то есть примерно 67 Вт уйдет в основном на нагрев самого БП.

В 2007 году был принят стандарт Energy Star 4.0, частью которого является сертификация блоков на соответствие нормативам по эффективности энергопотребления 80 PLUS. Блоки по этому стандарту сертифицируются при 20, 50 и 100 % от паспортной мощности. Стандарт рассчитан на напряжение 115В и 230В .

В стандарте несколько типов сертификации в зависимости от эффективности.

Вот табличка с характеристиками для напряжения 230В

Посмотреть список БП сертифицированных по стандарту 80 PLUS можно тут

Есть ли финансовая выгода от применения более эффективных БП?

Допустим, вы обычный пользователь и компьютер у вас работает 10 часов в сутки. Из них 2 часа активных игр, а остальное — серфинг в интернете, просмотр кинофильмов и прочая не сильно загружающая систему работа.

То есть в месяц получается 240 часов с небольшой нагрузкой (будем считать что это 100Вт — примерно столько и потребляют современные компьютеры) и 60 часов при большой нагрузке. Система средняя , поэтому будем считать в играх наш компьютер будет потреблять 250 Вт ( то есть это может быть комп с 560ti или HD7850 и допустим, процессором Intel Core i3-2120). Возьмем 2 БП :

— FSP Aurum Gold 600 (AU-600) цена около 3700 руб. Блок сертифицирован по 80 PLUS Gold и является одним из самых дешевых БП с таким сертификатом.

— HIPRO HP-D5801AW 580Вт . Стоит примерно на 1000 руб. дешевле. Никакими сертификатами эффективности не обладает.

При 100Вт нагрузки HIPRO потребляет примерно на 10Вт больше , при 250Вт на 37Вт . В месяц система с БП Aurum сэкономит 4.86 кВт.ч , или если использовать одноставочный тариф на электроэнергию для населения Новосибирской области на 2012 год , согласно которому кВт.ч электроэнергии обойдется в 1,86 руб. это примерно 9 рублей экономии. Разница в 1000 руб, таким образом окупится примерно через 9 лет 🙂

Читайте также:  Стабилизатор напряжения экф 3000

Естественно, чем больше нагрузка, тем больше будет экономия от использования БП с бОльшим КПД. Но для домашнего применения особой разницы нет. В мире, конечно миллиарды пользователей и если каждый будет экономить по 4.86 кВт.ч в месяц — это будет огромная цифра, но как я уже сказал выше — мы рассматриваем это с чисто эгоистичной точки зрения.

Тут решающими могут оказаться другие характеристики. Высокоэффективный БП можно сделать тише — он меньше нагревается, значит можно использовать вентилятор с более низкими оборотами.

Вывод: тип сертификата , его наличие или отсутствие вообще не должны учитываться при выборе БП. То есть не надо гнаться за 80 PLUS Gold или Platinum или Titanium, тем более что производители частенько за эту сертификацию накручивают цену. Смотрите на другие потребительские характеристики БП в первую очередь: тишина, стабильность напряжений, качество использованных комплектующих, длина кабелей, наличие кабельменеджмента, внешний вид, наконец 🙂

Стабильных вам напряжений, господа!

P. S. Огромное спасибо Дикий Гоблин за помощь в оформлении и

— Катьке Н. , которая кормила меня пельменями)

Источник



Коэффициент полезного действия преобразователей

Коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой отношение полезной мощности к мощности активной, потребляемой из сети:

где — потери мощности в преобразователе.

При работе преобразователя на якорь двигателя постоянного тока полезная мощность, Вт:

Потери мощности в вентилях определяются выражением, Вт:

где классификационное падение напряжения на вентиле.

КПД только тиристорного преобразователя, %:

КПД системы преобразователь — двигатель, %:

где потери собственных нужд, обусловленные расходом энергии на принудительное охлаждение тиристоров, освещение и вентиляцию (до 2 кВт); потери холостого хода трансформатора, Вт.

Потерями мощности собственных нужд в тиристорных преобразователях с естественным охлаждением вентилей можно пренебречь. Если пренебречь постоянными составляющими потерь в трансформаторах и двигателе и учесть, что числитель в выражении для КПД системы П-Д пропорционален угловой скорости, можно записать:

где частота вращения двигателя в относительных единицах;

частота вращения двигателя на холостом ходу и нагрузке соответственно, рад/с.

Значения КПД системы ТП-Д зависит как от нагрузки на валу двигателя, так и от скорости при регулировании. В случае постоянного момента на валу со снижением скорости будет иметь место уменьшение КПД.

Рисунок 7- Зависимость КПД системы ТП-Д от частоты вращения при номинальной нагрузке на валу.

Еще статьи

Разработка мероприятия по устранению неисправности (наладка) и эксплуатации электронных систем программного управления металлорежущих станков
Курсовой проект по теме «Разработка мероприятия по устранению неисправности (наладка) и эксплуатации электронных систем программного управления металлорежущих станков» является завершающей частью дисциплины «Эксплуатация и наладка электронных систем программного управления в автоматизиров .

Источник

AEE — новая технология повышения КПД понижающих преобразователей при малых выходных напряжениях

Texas Instruments TPS62180 TPS62182

Новый метод преобразования энергии, получивший название автоматическое повышение КПД (automatic efficiency enhancement – AEE), при низких выходных напряжениях увеличивает эффективность источников питания в таких устройствах, как планшеты, серверы и твердотельные накопители.

Проблема, с которой сталкиваются все разработчики источников питания, связана со сложностью получения высокого КПД понижающих преобразователей при низких выходных напряжениях. К примеру, при выходном напряжении 3.3 В и максимальном токе нагрузки источник питания может иметь КПД, равный 91%, в то время как при 1.8 В – лишь 84%. Такое снижение КПД становится причиной повышения рабочих температур. А для портативных систем это приводит еще и к перерасходу энергии батареи. Очевидно, что рост рабочих температур или сокращение срока службы батареи крайне нежелательны для пользователей планшетов, серверов или твердотельных накопителей, в которых содержатся такие источники питания.

Читайте также:  Падение напряжение акб после зарядки

Для того, чтобы поддерживать высокую эффективность независимо от выходного напряжения, нужен новый способ преобразования энергии. Один из таких методов – AEE (automatic efficiency enhancement – автоматическое повышение КПД) – в подобных системах способен обеспечить более высокий КПД при низких выходных напряжениях.

Почему падает КПД?

Падение КПД напрямую связано с уменьшением количества выходной мощности, не сопровождающимся пропорциональным снижением потерь. Потери в понижающем преобразователе делятся на потери переключения и потери проводимости. Потери переключения зависят преимущественно от входного напряжения, выходного тока и рабочей частоты. Потери проводимости в основном определяются выходным током и сопротивлением MOSFET. Из-за малого вклада выходного напряжения в общий баланс потерь потери не уменьшаются в той же степени, в какой падает выходная мощность.

При снижении напряжения выхода уменьшается выходная мощность, равная произведению тока нагрузки на выходное напряжение. Ввиду того, что КПД определяется как выходная мощность, деленная на сумму выходной мощности и потерь, уменьшение выходной мощности при неизменных потерях приводит к снижению КПД.

Например, источник питания с выходным напряжением 3.3 В и током нагрузки 6 А при потерях 2 Вт имеет КПД 91%. Если же на выходе того же источника установить напряжение 1.8 В, потери останутся примерно на прежнем уровне 2 Вт. В результате из-за уменьшения выходной мощности КПД снизится до 84%. А при выходном напряжении 0.9 В и тех же потерях 2 Вт КПД составит лишь 73%. В связи с тем, что в приведенном сравнении частота переключения, сопротивления MOSFET, выходной ток и входное напряжение оставались постоянными, в первом приближении можно считать, что потери также не менялись, и КПД упал на 7% и 18%, соответственно.

Два способа увеличения КПД

Значения входного напряжения и выходного тока определяются заданными характеристиками системы и нагрузки и не могут быть изменены. Чтобы повысить КПД своего устройства при пониженных входных напряжениях, разработчикам источников питания остается либо снижать частоту переключения, либо подбирать MOSFET с более низкими сопротивлениями открытого канала.

Возможности изменить значения сопротивлений MOSFET разработчики не имеют, поскольку в современных понижающих преобразователях MOSFET как верхнего, так и нижнего плеча интегрированы в микросхему. Хотя, в принципе, возможно использование несколько микросхем понижающих преобразователей, каждая из которых оптимизирована для определенного выходного напряжения, это очень непрактично с точки зрения конструкции микросхем. Поэтому таких приборов на рынке практически нет. Кроме того, подобный подход привел бы к расширению номенклатуры используемых ИС, что сделало бы конструкцию системы более сложной, а стоимость более высокой.

Снижение рабочей частоты уменьшает потери переключения и улучшает КПД. Во многих интегральных понижающих преобразователях предусмотрена возможность регулировки частоты. Однако изменение частоты переключения обычно влечет за собой необходимость перерасчета выходного фильтра и цепи частотной коррекции петли обратной связи. Это увеличивает сложность и время разработки и, с большой вероятностью, требует использования индивидуального набора компонентов для каждого выходного напряжения в системе. И, опять же, это приводит к росту затрат на комплектующие.

Интеллектуальная подстройка частоты переключения с помощью AEE

Читайте также:  Симметричная нагрузка соединена звездой линейное напряжение 380в каково фазное напряжение

Без какого-либо вмешательства разработчика AEE подстраивает частоту переключения таким образом, чтобы поддерживать высокий КПД при постоянных параметрах выходного фильтра и петли обратной связи. Частота переключения автоматически изменяется в соответствии с измеренными значениями входного и выходного напряжений, что позволяет максимизировать КПД без потери устойчивости контура управления и эффективности выходного фильтра. При этом не требуется устанавливать частоту в определенную рабочую точку, оптимизированную для конкретных режимов схемы – частота сама динамически подстраивает себя в процессе работы. На Рисунке 1 показаны зависимости частоты переключения от напряжения на входе, изменяющегося в диапазоне от 6 до 15 В, при выходных напряжениях 3.3, 1.8 и 0.9 В и токе нагрузки 6 А.

Рисунок 1. В двухфазном понижающем преобразователе TPS62180 для
адаптации частоты переключения под входное и выходное
напряжения используется AEE.

При снижении выходных напряжений частота переключения уменьшается, чтобы поддерживать соответствующее количество импульсов тока в индуктивности. В наиболее распространенных микросхемах понижающих преобразователей с ограничением пикового тока доступный выходной ток микросхемы определяется пиковым током катушки индуктивности.

Если уровень ограничения тока зафиксирован внутри микросхемы, пиковый ток индуктивности при максимальном выходном токе должен оставаться ниже этого порогового уровня. Поскольку пиковый ток индуктивности равен выходному току плюс половине импульсного тока индуктивности, импульсный ток должен поддерживаться на достаточно низком уровне. В противном случае ограничение тока наступает слишком рано, и микросхема не может отдавать требуемый выходной ток.

При снижении выходных напряжений импульсный ток индуктивности уже уменьшен до значения, определяемого Уравнением 1

VOUT – выходное напряжение,
VIN – входное напряжение,
L – индуктивность катушки,
FSW – частота переключения.

Вследствие этого сокращения частота переключения также уменьшается с понижением выходных напряжений, увеличивая импульсный ток и возвращая его к разрешенному уровню. На Рисунке 2 представлены зависимости пульсаций тока от входного напряжения, рассчитанные на основании частотных зависимостей из Рисунка 1 и Уравнения 1.

Рисунок 2. При заданном входном напряжении AEE обеспечивает
независимость пульсаций выходного тока от
выходного напряжения.

В заданной рабочей точке ток пульсаций практически не зависит от выходного напряжения. AEE обеспечивает это снижением частоты по мере уменьшения выходных напряжений. Такое снижение сужает разрыв в КПД, возникающий при уменьшении выходного напряжения. Рисунок 3 иллюстрирует влияние AEE на КПД преобразователя.

Рисунок 3. Благодаря функции AEE КПД двухфазного понижающего
преобразователя в меньшей степени зависит
от снижения выходных напряжений.

Из-за того, что частота снижается вслед за выходным напряжением, уменьшаются потери переключения, а это, в свою очередь, сокращает и общие потери. Соответственно, увеличивается КПД – в отличие от большинства топологий преобразователей энергии, в которых для любых выходных напряжений поддерживается постоянная рабочая частота.

Заключение

В таких понижающих DC/DC преобразователях, как TPS62180, при низких выходных напряжениях AEE обеспечивает более высокий КПД, чем понижающие преобразователи с фиксированной рабочей частотой. Благодаря AEE высокий КПД, равный 91% при выходном напряжении 3.3 В, остается высоким и при более низких напряжениях: 87.5% при выходном напряжении 1.8 В и 82% – при 0.9 В. Эти цифры означают, что по сравнению с фиксированной частотой преобразования выигрыш составил 3.5% и 9%, соответственно. Столь значительное улучшение эффективности имеет большое значение и для портативных устройств, таких как планшетные компьютеры, и для устройств, особо чувствительных к температуре, например, для серверов и твердотельных накопителей.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник