Zrozumienie specyfikacji obniżania wartości znamionowych zasilacza - deratingu

Wraz z rosnącą presją rynku na rozmiary zasilaczy ich gęstość mocy oraz koszt, pojawia się coraz więcej zasilaczy AC-DC, które opierają się na obniżonych parametrach znamionowych, aby wirtualnie poprawić swoje główne wartości znamionowe.

Informacje o obniżeniu parametrów znamionowych (derating table) może nie być od razu widoczna i zwykle znajduje się na końcu dokumentacji technicznej produktu. W niektórych przypadkach wersja skrócona lub katalogowa danych nie obejmuje tego poziomu szczegółowości, dlatego należy zachować ostrożność przy wyborze produktu, aby upewnić się, że jest on rzeczywiście odpowiedni dla danego zastosowania.

Czym są specyfikacje obniżania parametrów znamionowych zasilaczy tzw. deratingu?

Specyfikacje obniżania wartości znamionowych opierają się na zmniejszeniu określonej znamionowej mocy wyjściowej zasilacza podczas pracy w wyższej temperaturze lub podczas pracy przy niskim napięciu wejściowym linii. Ma to na celu złagodzenie nadmiernych wzrostów temperatury komponentów, przedłuża ich żywotność i zapewnia, że komponenty izolacji krytycznej dla bezpieczeństwa nie przekraczają swoich limitów termicznych. Dwie z najczęstszych specyfikacji obniżania wartości znamionowych są powiązane z temperaturą pracy i napięciem wejściowym.

Obniżenie temperatury

Praktycznie wszystkie zasilacze mają krzywą obniżenia wartości znamionowych opartą na temperaturze otoczenia – patrz rysunek poniżej. W przypadku produktów zaprojektowanych do integracji z urządzeniami końcowymi obniżenie wartości zwykle rozpoczyna się w temperaturze otoczenia przekraczającej 50°C. Pozwala to na wzrost temperatury w urządzeniu końcowym przy zachowaniu pełnej określonej mocy znamionowej zasilacza. Znamionowa moc wyjściowa zwykle spada do 50% przy maksymalnej temperaturze otoczenia 70°C. Istnieje również niewielka liczba producentów, którzy obniżają oceny produktów poniżej 0°C w oparciu o ich zdolność do rozruchu w niskich temperaturach.

W ostatnim czasie niektórzy producenci wprowadzają zasilacze Open Frame, które ograniczają maksymalną temperaturę otoczenia do pracy z pełną mocą do 40°C, przy czym moc wyjściowa zmniejsza się do 50% przy maksymalnym otoczeniu 60°C. Wynika to ze wzrostu temperatury komponentów, która jest zbyt wysoka, aby umożliwić pełną moc w temperaturze 50°C, ograniczone przez specyfikacje komponentów, żywotność i wymagania dotyczące bezpieczeństwa produktu.

Chociaż taka „specyfikacja” zapewnia wyższą nominalną moc znamionową i na pierwszy rzut oka wydaje się oferować mniejszy rozmiar lub niższy koszt, po zintegrowaniu z urządzeniem końcowym, które musi działać w temperaturze otoczenia 40°C, dostępna moc wyjściowa jest natychmiast zmniejszana o 25% lub więcej. Innymi słowy, oznacza to, że taki produkt o nominalnej mocy znamionowej 100 W jest w rzeczywistości produktem o mocy 75 W i nie można go uznać za porównywalny z innymi urządzeniami o tej samej mocy, które są przystosowane do pracy w temperaturze 50°C.

Obniżenie wartości napięcia wejściowego

Produkty zaprojektowane do pracy na całym świecie mają uniwersalny zakres wejściowy obejmujący zwykle 90 – 264 VAC. Oczekuje się, że produkt z wejściem uniwersalnym będzie oferować pełną moc znamionową w tym zakresie wejściowym, przy czym niektóre produkty oferują obniżoną moc wyjściową dla niższych napięć wejściowych do 85 lub 80 VAC, aby zapewnić działanie w obszarach, w których zasilanie prądem zmiennym jest podatne na brownout.

Jednak w ostatnich latach niektórzy producenci zasilaczy zastosowali praktykę zwiększania mocy znamionowej produktu i określania obniżenia wartości znamionowych dla napięć wejściowych poniżej 100VAC lub nawet 120VAC. To obniżenie wartości wejściowej może wynosić nawet 20% podczas pracy przy 90VAC.

Stosowanie w ten sposób obniżania wartości specyfikacji sprawia, że ​​produkt wydaje się oferować większą gęstość mocy i niższy koszt. Jeśli jednak aplikacja ma działać globalnie, wymagana byłaby wersja produktu o wyższej mocy czyli 120W. Innymi słowy, zasilacz o mocy znamionowej 100W praktycznie może mieć tylko 80W.

Obniżenie wartości napięcia wejściowego jest wykorzystywane do złagodzenia przegrzania filtra wejściowego, prostownika mostkowego i przetwornika podwyższającego PFC wraz ze wzrostem prądu wejściowego. Niektóre straty zwiększają się proporcjonalnie do prądu, ale straty rezystancyjne, takie jak te występujące w dławikach EMC, zwiększają się o kwadrat prądu.

Jeśli urządzenie końcowe ma być przeznaczone do sprzedaży na całym świecie, należy zadbać o to, aby parametry zasilania były odpowiednie przy niskich napięciach linii. Przekroczenie krzywych obniżania wartości znamionowych może spowodować problemy z niezawodnością i żywotnością.

W połączeniu, obniżenie parametrów termicznych i niskich wartości znamionowych linii powoduje, że zasilacz o mocy znamionowej 100W w 40°C zostaje zredukowany do wartości znamionowej wynoszącej zaledwie 60W, jeśli jest używany w temperaturze otoczenia 50°C przy napięciu sieciowym 90VAC. Ten produkt nie może być porównywany z produktami oferującymi moc znamionową 100W na całym wejściu i powinien być porównywany z produktem o mocy znamionowej 60W, negującym jakiekolwiek pozorne rozmiary, gęstość mocy i korzyści kosztowe.

Będą również obowiązywały zasady obniżania ratingów mające zastosowanie do kompletnego systemu końcowego. Na przykład, wszystkie komponenty mogą być określone na 80% ich mocy znamionowej, aby zapewnić długą żywotność i zwiększoną niezawodność. Jeśli pominięto najdrobniejsze szczegóły krzywych obniżania wartości znamionowych, może dojść do sytuacji, w której system zostanie ukończony i zatwierdzony z naruszeniem zasad projektowych, co będzie miało szkodliwy wpływ na żywotność i niezawodność, jakie przyniesie takie podejście.

Chociaż specyfikacja produktu wymaga obniżenia wartości znamionowych w określonych warunkach napięcia sieciowego i temperatury otoczenia, zasilacz nie ogranicza dostępnej mocy na wyjściu i będzie nadal działać. Jeśli produkt jest eksploatowany poza krzywymi obniżenia wartości znamionowych, przekroczenie granic termicznych barier izolacyjnych może wiązać się z poważnymi konsekwencjami pod względem niezawodności, żywotności produktu i potencjalnego bezpieczeństwa.

Źródło: XP Power (https://www.xppower.com/resources/blog/understanding-power-supply-de-rating-specifications), Tłumaczenie: Gamma Sp. z o.o.