С интересом прочитал в журнале «Современная электроника» № 8 за 2015 год статью начальника отдела разработки компании ООО «КВ Системы» Олега Негребы.
Кратко проблематику сам автор статьи описывает следующим образом: энергопотребление процессорных устройств зависит от динамической загрузки процессора и может меняться за короткие промежутки времени. Такая динамика предъявляет жёсткие требования к источнику питания по качеству выходного напряжения при скачкообразном изменении выходного тока.
Ссылаясь на статью Давида Моррисона «Modeling DC-DC Converter Transient Response», автор утверждает, что «ограниченное быстродействие обратной связи по напряжению у источников электропитания требует установки между ними и динамической нагрузкой ёмкостных накопителей энергии».
Главный практический PR-посыл статьи можно сформулировать так: «Для решения этих вопросов компанией «КВ Системы» были разработаны и освоены в серийном производстве модульные изолированные источники КМС, позволяющие за счёт очень большого быстродействия обратной связи по напряжению уменьшить количество, а во многих случаях и полностью исключить накопители энергии, улучшив при этом массогабаритные показатели всей системы электропитания».
Таким образом, автор напрямую связывает выбор элементов выходного LC-фильтра (к коим относится и ёмкостный накопитель) импульсных источников с быстродействием обратной связи и даёт команду разработчикам – быстродействие этой самой связи очень повышать!
Как мне кажется, данные рекомендации разработчикам систем электропитания весьма революционны, есть вероятность введения в заблуждение покупателей модулей КМС (МДМ-А).
Очень важно разобраться в трёх понятиях.
- Что такое медленная обратная связь в импульсных источниках?
- Могут ли модули КМС (МДМ-А) за счёт большого быстродействия обратной связи во многих случаях полностью исключить накопители энергии и улучшить массогабаритные показатели?
- Что же проповедует в области источников электропитания «иноземный» Д. Моррисон?
Начнём с медленной обратной связи
До сих пор считалось, что LC-фильтр на выходе источника, такого как модуль КМС (МДМ-А), является минимально необходимой и неустранимой частью – основой импульсного преобразователя. Кроме статьи уважаемого Давида Моррисона опубликовано много работ по оптимизации таких LC-фильтров, в том числе и отечественных.
- Различают оптимизацию по устранению остатков квантования (пульсаций рабочей частоты преобразователя), оптимизацию по уменьшению воздействия пульсаций входной сети, оптимизацию переходных процессов, вызванных воздействиями со стороны нагрузки, сети и т.д.
- Для применений, где очень важны массогабаритные показатели используют двухзвенные LC-фильтры на выходе, а иногда и трёхзвенные. Быстродействие LC-фильтра является определяющим для быстродействия всего источника. Его частоту среза невозможно, по многим ограничениям (в том числе по теореме Котельникова), приблизить даже к половинной частоте преобразования. Типовыми значениями для современных источников (при частотах преобразования в диапазоне до 500 кГц) является диапазон частот среза фильтра – примерно 0,5...5 кГц. В этих практических условиях, говоря о быстродействии обратной связи, можно смело употреблять термин «бесконечное» по отношению к быстродействию выходного LC-фильтра.
Таким образом, по вопросу быстродействия обратной связи по напряжению для импульсных преобразователей следует вывод: за исключением некоторых случаев организации обратной связи сложными способами с многочисленными преобразованиями, в том числе цифровыми (положение дел с цифровыми обратными связями в источниках электропитания кардинально улучшилось за последнее десятилетие), вопрос о проблемах «медлительности» обратной связи в импульсных источниках просто не стоит, неактуален и, по всей видимости, является скорее пиар-ходом автора статьи.
Медленной обратной связи в им-пульсных источниках сегодня в практическом смысле не существует!
О возможностях модулей КМС (МДМ-А)
Рассмотрим часть структуры им-пульсного источника электропитания, на 99% определяющую реакцию выходного напряжения источника на внешние воздействия – простейший LC-фильтр. При мгновенном увеличении выходного тока, когда скорость изменения тока в индуктивности LC-фильтра в сотни раз меньше, чем скорость наброса нагрузки (на практике нагрузка, например, от микропроцессора может появиться за 5...10 нс), никакая обратная связь вообще не способна повлиять на скачок напряжения вниз – ни медленная, ни быстрая, т.к. индуктивность LC-фильтра полностью блокирует реакцию силовой части.
Поясню, если скачок тока является функцией Хевисайта, то скачок выходного напряжения вниз ∆U = ∆I × Rc, где Rc – внутреннее сопротивление конденсатора LC-фильтра.
Тут уж призыв исключить выходной конденсатор (ёмкостный накопитель) приведёт к полной утрате возможности улучшения массогабаритных показателей системы электропитания.
Как говорится, «поздно пить бор-жоми...».
Имеется много не надуманных, а практических случаев нелинейной нагрузки, нагрузки с участками отрицательного сопротивления, нагрузки с противо-эдс, когда от источника требуется обратимость энергетического пути, и многое другое. И в этих случаях рекомендации автора статьи, похоже, ошибочны, а модули КМС (МДМ-А) без выходных накопителей – вредны!
Увы, ограниченный формат журнального отзыва на статью не позволяет мне рассказать об интересных и даже захватывающих моментах борьбы с переходными процессами в импульсных источниках электропитания классическими методами.
И, наконец, о бедном, но уважаемом Давиде Моррисоне
Бедный потому, что ничего об исключении ёмкостных накопителей в импульсных источниках и обратной связи с «очень большим быстродействием» впрямую он и не писал. Как говорится, «попал под лошадь». Я не поленился и сделал перевод упомянутой статьи.
Что же по пиаровской части статьи от «КВ Системы»
Мы заказали у этой компании несколько штук рекламируемых модулей для испытаний на возможность, как говорится в статье: «КМС позволяют реализовать компактные децентрализованные системы электропитания без использования существенных ёмкостных накопителей энергии».
В конце концов, кто его знает, может, предлагаемый в статье Олега Негребы перенос ёмкостных накопителей ближе к входу и подальше от нагрузки позволит энергии обойти нехороший LC-фильтр?
По результатам испытаний обещаю подготовить статью с рисунками и даже формулами.
С уважением, главный конструктор ГК Александер Электрик (вчера), инновационной группы «ВИП АГ» (сегодня), к.т.н. А.Ю. Гончаров.
P.S. Только что получили письмо от директора ООО «КВ Системы» Е.В. Жиржир с отказом. Видно, гранаты не той системы.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
