Nella maggior parte delle applicazioni, l’alimentatore è dimensionato come se il carico fosse continuo. Ma ci sono molte applicazioni nelle quali il carico richiama potenza dalla sua sorgente di alimentazione sotto forma di brevi impulsi. Il carico è attivo per un breve periodo, quindi viene disattivato, e il ciclo si ripete. Se il carico è di 3 Kw ed è attivo per 1 ms, poi disattivato per 5 ms, l’alimentatore sarà ugualmente configurato per 3 Kw anche se la sua potenza media in questo caso è di soli 500 watt. In applicazioni nelle quali dimensioni e peso sono valori critici, il carico è attivo solo per brevi periodi ed è ripetitivo, il sistema di alimentazione potrà essere dimensionato per il valore medio di erogazione utilizzando un convertitore in limitazione di corrente e un condensatore per erogare i picchi di potenza necessari. Nel configurare un sistema di alimentazione di questo tipo, il progettista deve tenere conto del limite di corrente, del limite di potenza e della stabilità dell’alimentatore, oltre al dimensionamento adeguato del condensatore affinché la caduta di tensione sul carico rientri nei suoi limiti di tolleranza.
I vantaggi del Power Averaging
Applicazioni come amplificatori pulsati, Led lampeggianti e carichi impulsivi in generale, possono trarre beneficio dal Power Averaging nel ridurre costi, spazio e peso del sistema. Tuttavia, poiché i livelli di potenza aumentano, molti progettisti stanno incontrando difficoltà nel rimanere entro i limiti imposti di spazio e peso per gli alimentatori di questi tipi di sistemi. Nel progettare un alimentatore destinato al funzionamento continuativo per la potenza di picco anche quando la potenza media fosse di molto inferiore, la circuiteria di supporto, come condensatori di bypass, radiatori di raffreddamento e ventilazione di sistema, devono essere tenute in seria considerazione. Questa circuiteria di supporto può aumentare il volume del sistema, rendendo ulteriormente difficoltoso restare entro i limiti imposti di spazio e peso. Progettare un sistema di alimentazione per la sua potenza media può quindi risultare una alternativa preferibile. Molti sistemi di alimentazione Dc configurati con convertitori Dc-Dc sono stati progettati per regolare la tensione fino al massimo livello di potenza, e hanno una corrente e potenza nominali massimi. Se il carico cerca di assorbire più della corrente nominale, l’alimentatore solitamente entra nella modalità limitazione di corrente, riducendo la tensione di uscita oppure l’alimentatore si spegne, tentando poi di riavviarsi. Il limite di corrente è generalmente impostato appena al di sopra della corrente nominale massima, quindi al punto di tensione del convertitore in cui è possibile ottenere la massima potenza. Un convertitore con valori nominali di 500 watt a 48 Vdc avrà un valore di corrente continua nominale massima di 500 watt/48 Vdc o 10,4 A. La funzione di limitazione della corrente dovrebbe attivarsi a 13 A. La funzione di limitazione di corrente tuttavia è tipicamente progettata per condizioni di errore di carico che il convertitore vedrà come limite solo poche volte nella sua vita. Se il convertitore non è stato progettato per entrare in modalità limitazione di corrente come sua normale modalità di funzionamento, i componenti all’interno del converter potrebbero essere sottoposti a stress e la vita di quel sistema di alimentazione ne risulterebbe accorciata. Se il carico assorbisse più del massimo di corrente ma meno del limite attuale alla tensione di impostazione, allora si potrebbe sovraccaricare l’alimentatore causando potenzialmente seri danni. Di conseguenza, un converter da 500 watt a 48 Vdc con un limite di corrente pari a 13 A verrà sovraccaricato fino a 624 watt prima che la limitazione della corrente si attivi. Nella configurazione tipica di un alimentatore Power Averaging il convertitore Dc-Dc è dimensionato per il valore medio della potenza, mentre il condensatore è dimensionato per fornire la potenza di picco pur mantenendo il convertitore Pol o la tensione di carico, all’interno delle proprie specifiche. U1 potrà essere un semplice circuito che inserisce il condensatore di livellamento durante l’avvio del convertitore. La grande capacità del condensatore di livellamento può tuttavia essere causa di diverse complicazioni per il sistema di alimentazione Dc. Collegando un condensatore di elevata capacità, che in molti casi può essere anche di migliaia di microfarad, può portare l’alimentazione Dc al limite di corrente. Molti sistemi di alimentazione possono essere configurati con un circuito di limitazione della corrente esterno, se l’alimentatore non fosse progettato per entrare in modalità limitazione della corrente come normale modalità di funzionamento. Il circuito esterno di limitazione della corrente terrà l’alimentatore entro il suo valore massimo nominale di corrente e potenza. Questi circuiti sono generalmente alimentati dalla tensione di uscita del converter Dc. All’avvio, la tensione di uscita che alimenta il circuito sarà zero, il circuito sarà inattivo e potranno verificarsi eventi di sovracorrente. Il progettista potrà pre-caricare il condensatore o aggiungere resistenze in serie che limiteranno la corrente all’avvio. Le resistenze in serie potranno essere cortocircuitate una volta che il circuito esterno di limitazione della corrente sarà attivo. Circuiti di pre-carica e limitazione della corrente possono essere complessi e possono altresì occupare spazio prezioso sulla scheda. I circuiti di limitazione esterna della corrente debbono essere anche abbastanza veloci da rilevare e contrastare immediatamente l’evento di sovracorrente. Ciò può rivelarsi una sfida, dato che anche solo pochi cicli di commutazione possono causare un evento di sovracorrente. Quando l’alimentatore Dc viene acceso, con successo, caricando in sicurezza il condensatore, il sistema di alimentazione deve essere stabile. Con alcuni convertitori Dc-Dc la grande capacità del condensatore può però destabilizzare il loop di controllo della tensione che potrebbe quindi essere fonte di guasti. Il progettista può però superare questi potenziali problemi di stabilità avendo accesso al loop di controllo del sistema di alimentazione. Alcuni sistemi di alimentazione Dc offrono la possibilità di accesso al loop di controllo permettendo di progettare il sistema di alimentazione in modo che lavori con un condensatore di elevata capacità. Se il loop di controllo viene modificato, il progettista deve tenere conto sia delle condizioni di avvio che della stabilità durate il funzionamento.
Progettati per gestire grandi capacità in uscita
La circuiteria attorno al modulo può divenire davvero molto complessa se il convertitore di potenza non viene progettato affinché sia in grado di gestire un grande condensatore sulla sua uscita. Ci sono moduli convertitori Dc, i Dcm progettati per gestire grandi capacità sulla loro uscita. I Dcm sono intrinsecamente progettati per funzionare entro i loro valori di corrente e potenza massimi nominali persino quando gestiscono valori di capacità superiori a 10 KuF, e oltre, se la capacità aggiuntiva viene inserita durante l’avvio. Il Dcm ha una funzione di sicurezza di limitazione della corrente, e può essere utilizzata alla tensione nominale dell’alimentatore. La funzione di limitazione della corrente può essere eseguita in sicurezza al valore prefissato di tensione del modulo perché questo è in grado di erogare più della sua potenza nominale, per brevi periodi. All’avvio, il Dcm porterà il condensatore fino alla sua tensione, pur restando all’interno della sua area di funzionamento sicuro. Il loop di controllo del convertitore è progettato per essere stabile durante il normale funzionamento, una volta che il condensatore sia carico. Se l’applicazione è stata progettata per il Power Averaging, l’iniziale potenza immessa nei Pol risulterà maggiore della capacità del convertitore. La corrente d’ingresso del Pol sarà prelevata dalla sorgente di tensione con il maggiore potenziale. A causa dell’Esr del condensatore, può essere l’uscita del convertitore ad avere il maggior potenziale e a portare un iniziale picco di corrente, finché la sua uscita non cali a causa della limitazione di corrente. I Dcm sono progettati per gestire un picco di corrente fino a quando non prenda il sopravvento il limite interno di corrente. Una volta che la tensione dei Dcm sarà calata la richiesta di corrente verrà soddisfatta dal condensatore. Il condensatore può essere dimensionato per fornire molta più corrente di quella del modulo convertitore Dc. Una volta che la richiesta di corrente dal Pol o dal carico, sia terminata, il convertitore Dc deve ricaricare il condensatore al suo iniziale potenziale cosi che sia pronto per la prossima richiesta di corrente. Le configurazioni per Power Averaging sono molto efficaci quando i convertitori Pol, o i carichi, possono tollerare un ampio range di tensioni di ingresso. Questo solitamente è il caso in cui il carico sia un altro dispositivo di regolazione o più dispositivi di regolazione. La capacità necessaria per l’applicazione può essere rappresentata con la seguente equazione.
Dove:
C = Valore della capacità in Farad
P = Potenza fornita dal condensatore in Watt
T1 - T2 = Durata del carico richiesto in secondi
V1 - V2 = Caduta di tensione attraverso il condensatore durante l’erogazione di potenza
Quando il Pol o il carico, richiederà potenza il condensatore fornirà una porzione maggiore della corrente di carico perché il convertitore Dc entrerà in limitazione della corrente alimentando condensatore e carico. Quando il condensatore erogherà corrente al Pol o al carico, la sua tensione inizierà a scendere. Il condensatore dovrà essere dimensionato in modo tale che la tensione ai capi del condensatore resti all’interno del range di tensione di ingresso del convertitore Pol. Per minimizzare la capacità necessaria il progettista potrà caricare il condensatore alla tensione massima di ingresso del Pol e consentire l’assorbimento di potenza durante la sua durata per portare il condensatore fino alla tensione di ingresso minima del Pol. In un sistema di alimentazione progettato per Power Averaging il modulo convertitore Dc ha la sua uscita fissata a 50 Vdc e il modulo convertitore ha una potenza continua nominale di 320 watt. I convertitori Pol a valle erogano un totale di 20 A a 48 Vdc o 960 watt di potenza di carico. La frequenza di carico è 1 Hz e il duty cycle il 7%, quindi il carico è attivo per 70 ms. Quando i Pol iniziano ad erogare potenza al carico questi assorbono energia dal condensatore da 100 KuF e dal Dcm. Il Dcm entrerà nella limitazione di corrente di protezione e il condensatore fornirà la maggior parte della potenza con il Dcm in modalità corrente limitata. Quando la richiesta del carico sarà stata completata il Dcm ricaricherà il condensatore fino alla sua iniziale tensione.
