Эссе о КПД

Что такое хорошо, а что такое плохо…

Знать реальный КПД вашего преобразователя Вам крайне необходимо. Без КПД вы не выберете правильно первичный источник электропитания, не узнаете, какая мощность рассеивается в самом преобразователе и не сообразите – как его охлаждать. Именно КПД определяет температуру перегрева модуля DC/DC или AC/DC относительно окружающей среды, а ведь каждые лишние 10 градусов снижают наработку на отказ примерно вдвое!

Как бы хорошо жилось разработчикам, если бы КПД был не только известным, но и постоянным. Однако он меняется, особенно это проявляется в упомянутых преобразователях с гальванической развязкой и с широким диапазоном входного напряжения.

От чего зависит КПД? От очень многого – от структуры преобразователя, от категории технического уровня элементной базы, от выделенного конструктивного объема, от электрических, климатических, и даже механических требований, и очень от таланта разработчиков и используемых ноу-хау. А вот чем можно испортить КПД, так в первую очередь неправильно, неадекватно заданными требованиями ТЗ.

Хорошо помню время, когда требования к приборам, находящимся внутри защищенного объема всего изделия, брались из общего ТЗ на все изделие! Представьте себе уникальную ситуацию от заказчика – докажите, что ваш источник электропитания может 10 минут проработать при температуре окружающей среды 300 градусов! И пришлось доказывать и проводить крайне дорогостоящие испытания, когда все эпоксидные клеи становились угольно черными и капал припой с выводов и корпуса. А доводы, что 300 градусов — это аэродинамический нагрев на внешней общивке изделия и эти самые градусы хоть и записаны в ТЗ, но никак не могут быстро, через пенополиуретановую заливку пробраться внутрь изделия и дотянуться за 10 минут до модуля электропитания, считались не подтвержденной демагогией. Ну, рассказал несколько сказочно, но на основе реальных событий! Так, что, если вам при задании произносят — «температура окружающей среды…», уточняйте – кого и чего окружает  температура и среда…

Итак к барьеру, т.е к эссе!

Идеальная ситуация: вы очень вселяете производителю надежду на большой заказ и согласие повышенной цены – результат – по Вашей просьбе вам присылают для вашего потенциального модуля зависимость КПД от нагрузки. Уверен на 99 %, нечто, показанное на рис. 1.

Рис. 1: Почти идеальная (1) и реальная (2) кривые КПД для модуля электропитания с гальванической развязкой.

Комментарии: для примера, приведены типичные кривые КПД при выходном напряжении 5 В и входном напряжении 24 В. Весьма частый случай — КПД быстро нарастает в зоне до 10-20 % нагрузки и стремится к величине 88-89 %, что является отличным показателем, даже для схем с синхронным выпрямлением, конечно речь идет о маломощных модулях электропитания.

По очень многим причинам модули с такими характеристиками Вам купить не удастся. Самим вымучить один лабораторный образец – возможно. Но, реально производимые в больших количествах модули будут иметь ощутимый разброс по свойствам применяемой элементной базы, разброс в получающихся характеристиках моточных элементов – трансформаторов и дросселе, и обязательно получат влияние температуры в некоторых зонах внутри конструкции на потери мощности и т.п., вплоть до погрешностей измерительных приборов. В общем, порядочный производитель пришлет вам кривую КПД с учетом всех факторов, т.е. с определенным запасом заниженную, реальную. Она приведена как кривая 2.

Кривая 2 является хорошим случаем типичной кривой. Вам остается задать математическое ожидание мощности, т.е. ту мощность, на которой модуль будет работать основное время, и при расчетах аппаратуры и радиатора взять полученное значение КПД. В большинстве случаев КПД оптимально спроектированного модуля будет максимальный при нагрузке около 70 %, это хорошая точка во многих отношениях. В первую очередь по надежности, из которой следует — на какую мощность вам нужно покупать модули. Если ваша ожидаемая мощность 10 Вт, вам лучше покупать модуль с максимальной мощностью 15 Вт!

Характерные зоны графика – КПД практически стабильно хороший при нагрузках от 50 % до 110 %, хотя его уменьшение может достигать 2–3 %. Нагрузка в 110 % показана как практический случай срабатывания защиты от перегрузки, при этом значении – расчитывать на успешное, долговременное нахождение в этой точке и правее ни в коем случае нельзя без предупреждения об этом производителя (при заказе)!

График КПД при нагрузке 110-140 % необходим для прогнозирования ситуации в условиях технологического разброса порога срабатывания защиты и в условиях влияния температуры, напряжения питания и т.п. Для самих разработчиков преобразователя данный участок графика показывает на достаточный запас в схеме и в конструкции устройства преобразователя электропитания.

Итак, вы из графика на рис. 1 получаете надежду иметь КПД не менее 84 %. Однако реальная жизнь может вам приподнести неприятности при учете других, сразу не очевидных, факторов влияния на КПД. Рассмотрим один из характерных случаев – влияние разброса напряжения питания, рис. 2.

Рис. 2: Идеальная (1) и реальные (2, 3, 4) кривые КПД для модуля источника электропитания с гальванической развязкой в условиях значительного разброса напряжений входного питания.

К большому своему сожалению вы увидите, что оптимальная зона нагрузок преобразователя резко сократилась, до 70-100 %, а надежды на высокий КПД рухнули. И для расчета радиатора придется использовать КПД не более 80 %!

Про влияние температуры на КПД даже и писать не хочется, оно плохое. Умиляют приводимые иногда производителями в даташитах графики, в которых не указаны и режимная точка снятия графиков и температура… (мы тоже стараемся не указывать, дабы не портить Вам на работе настроение). 

В заключение приведу маленький пример, показывающий смысл выражения – что такое хорошо, а что такое плохо.

Во-первых, многие системники и аппаратурщики не умеют определять тепловую мощность рассеивания в преобразователе – долго не думая, они берут 100 % и мысленно отнимают измеренный КПД, например 80 %, и считают, что оставшиеся 20 % это и есть потери, это и есть тепло, по которому рассчитывается система охлаждения. Здесь пора отрыть закопанную собаку – в данном примере тепловые потери будут равны не 20 %, а 25 %! Ну, это для самых маленьких. Вы-то, я абсолютно уверен, формулу расчета мощности рассеяния вспомните и во сне:

Ррасс = Рвых . (1 – КПД) / КПД, и правильно рассчитаете радиатор.

Советы:

  1. Просите прислать вам график КПД преобразователя, снятый в условиях, максимально близких к конкретному вашему применению.
  2. Старайтесь не использовать широкие сети входного напряжения преобразователя, настойчиво боритесь с системщиками, которые выдают вам ТЗ и формально опираются на некоторый стандарт — ГОСТ (нередко ГОСТы в области электропитания писали раньше люди, не разбирающиеся в электронике!).
  3. Добивайтесь вписания в ТЗ на преобразователь четкого, максимально сокращенного диапазона входного напряжения, т.е. того, которое будет на практике продолжительное время.

Генеральный конструктор AEPS-GROUP Александр Гончаров.