Funzionamento di un alimentatore switching senza carico

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Sono uno studente del secondo anno all'università e volevo un semplice alimentatore per testare un paio di progetti di animali domestici senza andare fino in laboratorio. Ho preso un Power-One MPU150-4350 a buon mercato in un negozio di elettronica di seconda mano. La sezione delle specifiche di uscita sembra affermare che, per l'uscita a 3,3 V (V1), 3 A è il carico minimo mentre 30 A è il massimo.

So che il funzionamento di un alimentatore a commutazione senza carico può produrre tensioni di uscita imprecise e persino danneggiare il sistema, anche se non capisco esattamente perché sia ​​così. Tuttavia, dover sempre estrarre almeno tre ampere da una guida da 3,3 V mi sembra eccessivo.

Domande

1. Qual è il carico minimo che posso caricare su ciascuna delle uscite senza danneggiare l'alimentatore?

2. Far funzionare un alimentatore a commutazione senza carico per brevi periodi di tempo lo danneggerà? O semplicemente produrre tensioni di uscita instabili?

3. Perché non cambiare alimentatori come correnti basse?

Se conosci solo la risposta a uno di questi, non esitare a postare. Tutto ciò che aiuta ottiene +1.

Modifica Questo articolo sarà molto utile per i principianti (come me), la risposta che segue è una spiegazione approfondita e molto utile del perché gli SMPS possono fallire a causa di sovratensione se non sufficientemente caricati.

È difficile generalizzare questo tipo di comportamento. Alcuni alimentatori funzionano a un carico inferiore al carico minimo ma con prestazioni degradate. Altri alimentatori potrebbero spegnersi e altri potrebbero non funzionare correttamente (oscillazione / spegnimento). Altri possono comportarsi perfettamente.

Molto spesso, gli alimentatori di base utilizzano toplogie a modulazione di larghezza di impulso (PWM) con elementi di memorizzazione induttivi. La frequenza di commutazione è fissa e il duty cycle viene variato per controllare la tensione di uscita in funzione del carico e dell'ingresso.

Quando la corrente nell'elemento di memoria induttiva non va mai a zero, il convertitore funziona in due stati: accendere e spegnere. Questa è chiamata modalità di conduzione continua (CCM). Una volta raggiunto CCM, il ciclo di lavoro essenzialmente non varia (a meno che l'ingresso non cambi): il comportamento del convertitore non cambia con il carico e le cose sono abbastanza coerenti.

Con un carico molto leggero, non esiste un livello di corrente CC nell'elemento di memoria induttiva. Il convertitore ora ha tre stati di funzionamento: accensione, spegnimento e riduzione della corrente dell'induttore, spegnimento e corrente dell'induttore = 0. Questo è chiamato modalità di conduzione discontinua (DCM). In DCM, il carico di uscita influisce sul ciclo di lavoro e sulle variazioni di ingresso.

La maggior parte dei controller ha un tempo di PWM minimo che può essere raggiunto - se l'impianto tenta di comandare un ciclo di lavoro inferiore a questo minimo, è possibile che vengano visualizzati output irregolari, impulsi mancanti, corrente di ripple elevata, ecc. - Alcuni convertitori smetteranno semplicemente di regolare (l'uscita aumenterà). Alcuni controller lo rilevano e passano in modalità burst controllata per mantenere l'uscita liberamente regolata.

Inoltre, la compensazione del circuito di retroazione sarà dettata dalle prestazioni del CCM del convertitore, dal momento che ci sono cose cattive (come lo zero del semipiano destro) in CCM che devono essere stabilizzate che essenzialmente non ci sono in DCM - la compensazione potrebbe essere non ottimale e verranno influenzate cose come la risposta ai transitori.

Dipende dal design dell'alimentatore.

In condizioni di luce o assenza di carico, un convertitore in modalità commutata che utilizza un diodo per uno degli interruttori * passa in modalità discontinua. In questa modalità per un determinato ciclo di lavoro e tensione di ingresso, la tensione di uscita aumenterà in modo sostanziale al diminuire della corrente di carico.

La maggior parte degli alimentatori a commutazione è regolata. Pertanto, quando il carico viene ridotto, il controller ridurrà l'ampiezza dell'impulso e quindi il ciclo di lavoro nel tentativo di mantenere la tensione di uscita.

Tuttavia, poiché il carico viene ulteriormente ridotto, la larghezza degli impulsi raggiunge il minimo che il controller può raggiungere. Ciò che accade con carichi molto piccoli o nulli dipende dal design del controller.

1. Il controller può mantenere l'ampiezza minima dell'impulso e il ciclo di lavoro e consentire alla tensione di uscita di aumentare fino a quando qualcosa si alza nel fumo.
2. Il controller può mantenere l'ampiezza minima dell'impulso e far funzionare la tensione di uscita per aumentare fino a quando non viene attivato un circuito di protezione da sovratensione e interrompe l'alimentazione fino al ripristino.
3. Il controller può mantenere la durata minima dell'impulso e il ciclo di lavoro fino a quando non viene innescata una protezione da sovratensione autoripristinante causando forti oscillazioni della tensione di uscita quando l'alimentazione si interrompe e si riavvia ripetutamente.
4. Il controller può aumentare il tempo tra gli impulsi. Ciò consente di mantenere la regolazione della tensione complessiva fino a zero, ma significa che la frequenza dell'ondulazione di uscita dipende dal carico. Ciò può causare problemi di rumore sia elettrici che acustici.

La mia esperienza è che la maggior parte dei moderni alimentatori rientra nella categoria 4 ma i design più vecchi (che a volte vengono ancora venduti) spesso rientrano nelle categorie 2 o 3.

Un'altra alternativa è che il fornitore di alimentatori crei un "carico fittizio" per evitare di raggiungere il punto in cui l'alimentatore non può più ridurre il ciclo di lavoro, ma mi aspetto che ciò avvenga solo in applicazioni specializzate in cui la qualità dell'output è più importante dell'efficienza.

* I convertitori che utilizzano due switch controllati attivamente (noti come "convertitori sincroni") hanno la possibilità di rimanere in modalità continua indipendentemente dal carico (sebbene a carico leggero discontinuo sia più efficiente), anzi possono persino operare in modo bidirezionale.