Можно ли отключить pfc в блоке питания
Обновлено: 21.11.2024
Блоки питания с коррекцией коэффициента мощности (PFC) становятся все более популярными в настольных ПК в Северной Америке. Этой тенденции способствует тот факт, что соответствие Energy Star 4.0 с июля 2007 г. требует использования PFC в настольных ПК.
Линейка продуктов:
Back-UPS CS, Back-UPS ES "U", Back-UPS ES "R", Back-UPS ES "G" (до 2013 г.),
BX/BR1000 "G" (до 2013), BX/BR семьи
Окружающая среда:
Back-UPS CS, Back-UPS ES "U", Back-UPS ES "R", Back-UPS ES "G" (до 2013 г.),
BX/BR1000 "G" (до 2013), BX/BR семьи
Причина:
Что такое коэффициент мощности и коррекция коэффициента мощности?
Коэффициент мощности – это процент электроэнергии, который используется для выполнения полезной работы. Он выражается в виде отношения. Например, коэффициент мощности 0,72 будет означать, что только 72% вашей мощности используется для выполнения полезной работы. Идеальный коэффициент мощности (который в данном случае достигается блоком питания компьютера с коррекцией коэффициента мощности) равен 1,0 (единица), что означает, что 100% мощности используется для полезной работы. Коррекция коэффициента мощности – это метод проектирования схем, позволяющий увеличить коэффициент мощности устройства до значения, близкого к 1, или единичному коэффициенту мощности.
Хотя компьютерные блоки питания потребляют лишь часть своей полной мощности в стабильном состоянии (нормальная работа), блоки питания PFC могут полностью использовать свою мощность во время начального броска. «Пусковой ток» или «пусковой ток» относится к максимальному мгновенному входному току, потребляемому электрическим устройством при первом включении.
Решение:
Электропитание компьютера также может подвергаться периоду пускового тока, когда ИБП меняет состояние (переключение с питания от сети на питание от батареи и обратно). В течение этого периода для Back-UPS и Smart-UPS SC время передачи может составлять до 8 мс. Этого времени достаточно, чтобы отключить питание от источника питания PFC, что приводит к мгновенному броску тока PFC. Как только ИБП меняет состояние с «Онлайн» (подача питания от сети) на «Питание от батареи» (подача питания от внутренней батареи ИБП), мгновенный бросок от подключенного оборудования переводит ИБП на максимальную мощность питания от батареи. ничья, что может привести к перегрузке или падению груза.
КПД блока питания, соответствующего стандарту Energy Star 4.0, должен составлять более 80 %. Например, если подключенный блок питания обеспечивает выходную мощность 600 Вт, его «входная» мощность может достигать 750 Вт. .
Эта «входная» мощность должна быть основой для выбора ИБП, чтобы не перегружать ИБП. Это можно рассчитать, взяв номинальную выходную мощность источника питания PFC и умножив ее на 1,25 следующим образом:
Давно прошли те времена, когда только инженеры, которые работали с большими электродвигателями и мощными электрическими нагрузками, должны были беспокоиться о коэффициенте мощности. Внедрение импульсных источников питания в электронные системы привело к ужесточению международного законодательства, в результате чего коэффициент мощности поднялся в списке как ключевой вопрос для большинства инженеров, разрабатывающих системы, работающие от сети переменного тока.
ЧТО ТАКОЕ КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ?
Определение коэффициента мощности
Коэффициент мощности (pf) – это отношение активной мощности (P), поступающей в нагрузку, к полной мощности в цепи (S). Это синусоидальная форма волны, поэтому она выражается безразмерным числом от -1 до 1:
Для чисто резистивной нагрузки эти два значения идентичны; для реактивной нагрузки арифметика для полной мощности дает ту же цифру, то есть произведение среднеквадратичных значений напряжения и тока. Однако, чтобы найти фактическую (реальную) мощность, подаваемую на нагрузку, необходимо проинтегрировать мгновенное произведение напряжения и тока по полному синусоидальному циклу.
Рисунок 1. Мгновенная и средняя мощность, рассчитанная по переменному напряжению и току с нулевым коэффициентом мощности
Добавление реактивной мощности в уравнение
Реальная (или активная) мощность, измеряемая в ваттах (Вт), определяется как способность схемы выполнять работу в заданное время. Полная мощность, измеряемая в вольт-амперах (ВА), представляет собой произведение тока и напряжения в цепи.
Когда ток опережает или отстает от напряжения, значение этого интеграла всегда будет меньше, чем значение для синфазного случая на том же интервале. Это отражает свойство катушки индуктивности или конденсатора действовать как накопители энергии; в различные моменты цикла переменного тока реактивный компонент (Q) либо сохраняет энергию, либо возвращает ее в систему.
Совершенно синусоидальные сигналы следуют Пифагору, где квадрат полной мощности равен квадратам активной мощности и реактивной мощности, измеренной в реактивных вольт-амперах (вар):
S 2 = P 2 + Q 2 или P = S cos θ
Взаимосвязь обычно изображается на векторной диаграмме прямоугольного треугольника.
Кажущаяся мощность всегда больше или равна реальной мощности, и отрицательный коэффициент мощности может возникнуть, когда устройство начинает генерировать энергию, которая затем возвращается к генератору.
Рисунок 2. Векторная диаграмма прямоугольного треугольника
Идеальный и реальный мир
Идеальный коэффициент мощности достигается, когда кривые тока и напряжения совпадают по фазе:
Когда коэффициент мощности не равен 1,0, возникают потери мощности и, возможно, гармоники, которые нарушают работу других устройств.
Еще раз повторим, что это основное определение для чистых синусоид. Несинусоидальные сигналы более сложны, но, поскольку они могут быть представлены серией гармонических синусоид, применяются те же основные принципы. Однако проблемы возникают, когда нелинейная нагрузка на энергосистему, обычно в виде источника питания, создает гармоники тока, отсутствующие в напряжении; фактически эти гармоники тока становятся частью реактивной мощности. Они не отражают реальную мощность, подаваемую на нагрузку, что приводит к ухудшению коэффициента мощности.
Рисунок 3. Мгновенная и средняя мощность, рассчитанная по переменному напряжению и току с отстающим коэффициентом мощности 0,71
НЕОБХОДИМОСТЬ КОРРЕКЦИИ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
Важность коэффициента мощности и коррекции коэффициента мощности
Коэффициент мощности входит в список проблем проектирования практически каждого устройства, потребляющего значительную мощность от сетевой розетки, а также инженеров, работающих в тяжелых электрических отраслях. На карту поставлены не только принципы надлежащей инженерной практики, но и законодательство, обеспечивающее соблюдение норм коэффициента мощности.
Законодательство
Первая попытка узаконить помехи от сети переменного тока была предпринята более 100 лет назад (1899 г.) для предотвращения мерцания ламп накаливания, но одно из ключевых правил было принято в 1978 году, когда IEC 555-2 требовал включения коррекции коэффициента мощности. в потребительские товары.
Сегодня добровольные рекомендации Министерства энергетики США Energy Star требуют, чтобы вычислительное оборудование имело коэффициент мощности ≥ 0,9 при 100 % номинальной выходной мощности блока питания приложения. Это означает, что конструкции с внутренними источниками питания требуют использования активной мощности. факторная коррекция.
За Атлантикой ЕС вводит в действие стандарт EN 61000-3-2 для электронного оборудования, устанавливающий ограничения по 39-й гармонике для оборудования с входным током не более 16 А на фазу. Стандарт разделен на четыре класса: A, B, C для бытовой техники, электроинструментов и освещения соответственно, а также самый строгий класс D для ПК, компьютерных мониторов и телевизоров мощностью от 75 до 600 Вт.
Вслед за Европой множество стран разрабатывают все более строгие законы. В частности, в Китае, Японии и Австралии действуют государственные нормативы по гармоникам в линиях электропередач, разработанные на основе стандарта EN 61000-3-2.
Последствия предложения
Почему это вызывает беспокойство? Электроэнергетические компании и генерирующие организации требуют от своих потребителей предоставления нагрузки в электрическую сеть с коэффициентом мощности, максимально близким к единице. Основная, но не единственная причина – фискальная. Заказчик рассчитывает заплатить за «реальную» работу, выполненную на его территории, — другими словами, стоимость W, указанная выше. Но PF меньше 1,0 означает, что значение VA должно быть выше, чем W.
Производители и передающие компании должны обеспечить передачу пиковых значений напряжения и тока в форме сигнала в любое время. Коэффициент мощности менее 1,0 фактически означает увеличение их затрат, и они возвращают их потребителям, вводя повышенный тариф для потребителей с нагрузками с низким коэффициентом мощности. Таким образом, достижение максимального коэффициента мощности является беспроигрышным для всех заинтересованных сторон.
Технические проблемы низкого коэффициента мощности
Есть и другие эффекты, с которыми должны бороться энергетические компании, что делает нагрузку с единичным коэффициентом мощности весьма предпочтительной. Электроэнергией, вырабатываемой вращающимися электростанциями, труднее управлять и поддерживать стабильность при подаче энергии с низким коэффициентом мощности, и могут возникнуть опасности перегрева или перегрузки трансформаторов и передающего оборудования в энергосистеме. Стабильность сети также труднее поддерживать, если к системе подключены нагрузки с низким коэффициентом мощности. Низкий коэффициент мощности также имеет тенденцию ассоциироваться с другими негативными характеристиками хорошей электрической нагрузки. Сильно искаженные формы сигналов тока, поступающие из сети, могут подавать гармоники высокого порядка обратно в сеть.
Передающее оборудование имеет более высокие потери на более высоких частотах, что приводит к проблемам с нагревом, и, если более высокие частоты присутствуют в нагрузке, воздействующей непосредственно на генерирующую установку, они могут проявляться в виде разрушающих вибраций, приводящих к чрезмерному износу таких компонентов, как подшипники. . Искажение тока может привести к небалансным токам в нейтральных линиях трехфазных распределительных сетей, что, в свою очередь, может оторвать нейтраль от земли (напряжения) и вызвать множество проблем.
Плохие формы сигналов тока и гармонические эффекты
Искажение формы волны, строго говоря, не является тем же явлением, что и коэффициент мощности, но из-за тесной связи между ними (как отмечалось выше, гармоники тока ухудшают коэффициент мощности) они регулируются теми же стандартами, которые устанавливают ограничения на нагрузку, может питаться от сетевого оборудования; например, EN 60555 в Европе и IEC 555-2 на международном уровне.
Блоки питания для электронных систем
Даже когда большая часть электронного оборудования питалась от источников питания с линейной стабилизацией, коэффициент мощности (и искажение формы сигнала) часто был далеко не идеальным, но редко применялся для чего-либо, кроме самых мощных источников питания. Типичная обычная автономная схема представляла собой трансформатор, за которым следовал мостовой выпрямитель, питающий накопительный конденсатор. Проводимость через выпрямитель будет иметь место, когда постоянное напряжение на выходной линии упадет ниже мгновенного значения преобразованного источника переменного тока, что может быть для полного цикла при полной нагрузке или только на пике формы волны переменного тока при небольшой нагрузке. .
Переключение источников питания
Переключение источников питания может значительно ухудшить ситуацию. Автономная часть конструкции может не измениться, она по-прежнему состоит из трансформатора/выпрямителя и конденсатора, но теперь к уравнению добавлены один или несколько импульсных стабилизаторов. Входной выпрямитель продолжает генерировать кривые тока неправильной формы с дополнительной проблемой, заключающейся в том, что некоторые из высокочастотных шумов переключения от каскада регулирования могут вернуться обратно в ток, потребляемый от настенной розетки.
Фазовые и гармонические эффекты
Это не только смещает во времени эффективный пик тока от формы сигнала напряжения, но также приводит к переключению сигналов с высоким содержанием гармоник, которые потенциально ухудшают искажение формы сигнала тока. Появление этого класса поставок в целом совпало с широким распространением компьютеров и других ИТ-продуктов в большом количестве. Такие тенденции напрямую повлияли на сегодняшнюю законодательную среду.
МЕТОДЫ КОРРЕКЦИИ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
Активная и пассивная коррекция коэффициента мощности
Решением избыточных гармоник является использование коррекции коэффициента мощности (PFC), которая формирует входной ток источника питания, чтобы максимизировать реальный уровень мощности от сети и минимизировать гармонические искажения. В идеале электроприбор должен иметь нагрузку, напоминающую линейную нагрузку, такую как простой резистор, а не реактивную нагрузку нескорректированного импульсного источника питания. Эта скорректированная форма сигнала сводит к минимуму потери, а также помехи для других устройств, получающих питание от того же источника.
Компенсация низкого коэффициента мощности может осуществляться пассивными или активными устройствами. Простейшим случаем является улучшение коэффициента мощности электродвигателей. Естественно, будучи намотанными машинами, они являются высокоиндуктивными нагрузками, и добавление конденсаторов в питающую сеть уже давно стало стандартной практикой. Даже этот случай может быть не совсем простым; например, разработчик такой сети должен позаботиться о том, чтобы не создавать нежелательных резонансных эффектов. Переменный коэффициент мощности в нагрузке может быть обеспечен адаптивной схемой подключения реактивных элементов по мере необходимости, а в условиях высокой мощности (шкала МВт) могут применяться решения с вращающимся оборудованием.
Разработчики источников питания должны (при условии, что их проекты попадают в определенные диапазоны номинальной мощности) учитывать нормативные ограничения, но они неизменно также вынуждены соблюдать требования к пространству, спискам материалов и эффективности компонентов.
Рисунок 4: Влияние коррекции коэффициента мощности
Пассивная коррекция коэффициента мощности
Пассивная коррекция коэффициента мощности в форме фильтрации может быть эффективной в определенных пределах и приводит к уменьшению высших гармоник тока, которые, как отмечалось выше, способствуют ухудшению коэффициента мощности. Такие методы включают установку фильтра нижних частот на входе источника питания для подавления гармонических составляющих более высокого порядка, а затем компенсацию характеристик опережения/запаздывания, как при обычном коэффициенте мощности.
Недостаток этой схемы в том, что могут потребоваться большие (как по стоимости, так и физически) катушки индуктивности и/или конденсаторы. Кроме того, при реализации этой схемы существуют ограничения на входной диапазон и номинальную мощность; пассивные схемы коррекции коэффициента мощности обычно могут достигать коэффициента мощности в диапазоне 0,70–0,75.
Активная коррекция коэффициента мощности
Существование и быстрое развитие высокоскоростных полупроводниковых переключателей с большой токовой емкостью — тех же компонентов, которые вообще позволяют создавать высокоэффективные импульсные источники питания — делают доступной опцию активного коэффициента мощности. коррекция, которая допускает коэффициент мощности, близкий к 1,0.
Рисунок 5: Принципиальные схемы пассивной/активной фильтрации
По этой причине эта стратегия наиболее широко применяется в современном дизайне.Переключающий каскад предварительного регулятора помещается во входной ток источника питания. Этот регулятор предназначен не только для поддержания постоянного напряжения постоянного тока для питания основного каскада преобразователя источника питания, но и для получения тока от входа в фазе с входящей формой волны переменного напряжения.
Дополнительный этап переключения в источнике питания приводит к некоторым дополнительным потерям и дополнительным затратам. Как указывалось выше, имеется компенсирующая экономия в виде меньших компонентов пассивной фильтрации и основного преобразователя питания. Однако добавленный предварительный регулятор создает потенциальный источник электромагнитных помех (ЭМП), которые необходимо учитывать при окончательном проектировании.
Конструктивные ограничения и измерения
Поэтому конструкция ограничена целевым коэффициентом мощности, который определяется законодательством и не подлежит обсуждению, а также всеми обычными факторами эффективности, стоимостью компонентов и занимаемым объемом/местом на плате. Чтобы проектировать эти цели, особенно коэффициент мощности, необходимо, чтобы его можно было измерить.
Простые мультиметры обычно в некоторой степени дают неверные показания при представлении искаженных сигналов; хороший цифровой мультиметр может приложить немало усилий для определения среднеквадратичного значения даже умеренно искаженной формы сигнала, но ему будет сложно записывать коэффициент мощности. Осциллограф с датчиками тока и формы сигнала можно использовать для измерения фазового сдвига (угла θ, как указано выше), но только если формы сигналов напряжения и тока достаточно похожи. В электротехнике традиционно использовались прецизионные электромеханические измерители (с подвижной катушкой), которые напрямую измеряют коэффициент мощности, но они вряд ли подходят для отслеживания влияния переключения регулятора кГц или МГц в усовершенствованном блоке питания.
Небольшое количество поставщиков средств тестирования и измерений предлагает анализаторы мощности; за счет быстрой выборки форм сигналов тока и напряжения и выполнения набора вычислений, а также применения преобразования Фурье для извлечения информации о гармониках выявляются все детали характеристик нагрузки с точки зрения искажений и коэффициента мощности.
ОБЗОР
Коэффициент мощности вызывает беспокойство у разработчиков практически каждого устройства, потребляющего значительную мощность от сетевой розетки, а также у инженеров, работающих в тяжелых электротехнических отраслях. Необходимо учитывать целевой коэффициент мощности, основанный на законодательстве, а также эффективность, стоимость компонентов и объем/пространство на плате.
По этой причине компания CUI разработала активную коррекцию коэффициента мощности для подавляющего большинства своих блоков питания переменного/постоянного тока мощностью 100 Вт и выше, чтобы облегчить внедрение и обеспечить соответствие OEM-производителям.
NCP1603 от ON Semiconductor сочетает в себе микросхему управления коррекцией коэффициента мощности и микросхему управления широтно-импульсной модуляцией в одном 16-контактном корпусе SOIC. Эта комбинация упрощает задачу разработки автономного источника питания переменного/постоянного тока, который одновременно соответствует требованиям к коэффициенту мощности и низкому энергопотреблению в режиме ожидания.
NCP1603 от ON Semiconductor (Феникс, Аризона) сочетает в себе микросхему управления коррекцией коэффициента мощности (PFC) и микросхему управления широтно-импульсной модуляцией (PWM) в одном 16-контактном корпусе SOIC. Эта комбинация упрощает задачу проектирования автономного источника питания переменного/постоянного тока, который одновременно отвечает требованиям к коэффициенту мощности и низкому энергопотреблению в режиме ожидания. Целевыми приложениями для этого устройства являются потребительские товары, такие как адаптеры для ноутбуков, телевизионные мониторы и телевизионные приставки.
В этих приложениях PFC обычно требуется, когда источник питания работает в условиях нормальной нагрузки. Однако в условиях холостого хода PFC не требуется. Кроме того, если PFC работает в режиме холостого хода, ток покоя, потребляемый этой схемой, может сделать невозможным соблюдение ограничений на энергопотребление в режиме ожидания, установленных Комиссией по энергетике Калифорнии, Energy Star и другими организациями.
В условиях малой нагрузки контроллер NCP1603 отключает функцию PFC, экономя от 100 мВт до 200 мВт мощности. В настоящее время самые агрессивные стандарты ограничивают энергопотребление в режиме ожидания до 500 мВт, а в будущем планируется снизить этот предел до 300 мВт. Учитывая эти цели, экономия энергии за счет отключения PFC значительна. Кроме того, отключение PFC гарантирует, что контроллер может соответствовать даже пределу 300 мВт для мощности в режиме ожидания. Комбинация контроллеров PFC и PWM также позволяет отключать PFC в условиях перегрузки.
Если в конструкции источника питания используются отдельные контроллеры PFC и PWM, для отключения PFC требуется дополнительная схема. Самый простой подход заключается в использовании биполярного транзистора для понижения напряжения VCC контроллера PFC. Для схемы также потребуется компаратор с гистерезисом и компоненты для определения условий нагрузки — всего, возможно, от 5 до 10 дополнительных компонентов.
Каскад PFC NCP1603 реализуется либо в режиме критической проводимости, либо в режиме прерывистой проводимости (CRM/DCM), обеспечивая коэффициент мощности, близкий к единице.Он работает в режиме напряжения и имеет программируемую частоту переключения для работы DCM, а также возможность синхронизации работы PWM и PFC для повышения помехоустойчивости. При нормальных и тяжелых нагрузках PFC может работать в режиме критической проводимости для поддержания более низких пиковых токов (хотя и без синхронизации PWM-PFC). Затем, в условиях небольшой нагрузки, PFC может переключаться в прерывистый режим с фиксированной частотой для экономии энергии и снижения электромагнитных помех. Кроме того, PFC предлагает множество защитных функций, включая программируемую защиту от перегрузки по току, а также отключение при перегреве и блокировку при пониженном напряжении с гистерезисом.
Начиная с этой статьи мы объясняем различия и избирательное использование диодов и транзисторов в реальных схемах приложений в соответствии с характеристиками и производительностью этих устройств. Начнем с примеров, относящихся к PFC (коррекция коэффициента мощности). Для некоторых электронных устройств может потребоваться PFC; в этой статье мы кратко объясним PFC.
Что такое ПФК?
PFC (коррекция коэффициента мощности) относится к улучшению коэффициента мощности, чтобы приблизить его к 1. Это влечет за собой приближение угла коэффициента мощности (фазового угла) к 0 °, чтобы уменьшить разность фаз между напряжением и током, так что кажущаяся мощность приближается к эффективной мощности. В то же время подавляются гармонические токи. Подавление гармоник предписано классом в международном стандарте IEC 61000-3-2, который устанавливает максимально допустимые гармонические токи, а PFC по существу требуется для соответствующих электронных устройств.
Одиночный PFC и чередующийся PFC
В базовом режиме ККМ пилообразный ток проходит через индуктор, и за счет управления таким образом, чтобы среднее значение тока было синусоидальным, корректируется сдвиг фаз напряжения и тока. Ниже приведены примеры базовых схем ККМ одинарного и чередующегося типа.
Как следует из названия, однотипная схема состоит из одного набора переключателей (транзисторов), диода и катушки индуктивности, тогда как в чередующейся схеме используются два таких набора, причем переключатели сдвинуты по фазе на 180°. Следовательно, ток катушки индуктивности в одной цепи ККМ представляет собой одиночную пилообразную волну, возникающую в результате управления включением/выключением, тогда как в цепи с чередующейся ККМ пилообразные волны перекрываются. В результате пульсирующие токи меньше, а эффективная частота удваивается. На рисунке справа показаны формы сигналов тока каждой катушки индуктивности и чередующиеся сигналы тока.
В схеме с чередованием используются два переключателя, поэтому коммутационные потери распределяются, а нагрузка на один переключатель снижается, что упрощает тепловой расчет. Кроме того, пульсирующие токи меньше, а эффективная частота выше, так что размер фильтра можно сделать компактным. Это тот же принцип, который используется для двухфазного привода преобразователей постоянного тока в постоянный.
Режим граничного тока (BCM) и режим постоянного тока (CCM)
В обычном управлении ККМ используются режим граничного тока (BCM), в котором переключение выполняется, когда ток достигает нуля, и режим непрерывного тока (CCM), в котором ток непрерывно течет в индукторе.
В BCM переключатель включается, когда ток диода становится равным нулю, поэтому в диоде не протекает обратный ток восстановления. Однако ток претерпевает большие изменения от нуля до максимального значения, поэтому пиковые токи, протекающие в катушке индуктивности и диоде, велики. С другой стороны, в CCM ключи включаются при протекании тока в диодах, а диоды принудительно выключаются, так что протекают большие обратные токи восстановления и возникает коммутационный шум. Однако непрерывно текущие токи катушки индуктивности представляют собой в основном постоянные токи, а минимальные пульсации тока являются особенностью этого метода.
Разница в выходной мощности из-за разных методов
Различия в описанных выше одиночных и чередующихся схемах, а также в управлении BCM и управлении CCM проявляются в различиях в характеристиках выходной мощности и пикового тока. В общем, схемы с чередованием и управление CCM часто используются для схем с высокой выходной мощностью. Следующий график является примером сравнения этих методов.
Ключевые моменты:
・В PFC (коррекция коэффициента мощности) коэффициент мощности улучшен, приближая его к 1.
・PFC может использовать одиночные или чередующиеся каналы; при использовании схемы с чередованием потери могут быть распределены, что упрощает тепловой расчет.
・В PFC можно использовать либо режим граничного тока (BCM), либо режим постоянного тока (CCM); как правило, CCM используется для больших уровней мощности.
Читайте также: