挑战极限第2部分:电源输出电流

2018年11月6日 作者:Ron Stull

挑战极限第2部分:电源输出电流

欢迎观看我们的“挑战极限”第2部分,本系列将深入研究我们在CUI经常听到的一个问题:“如果超出某个规格范围使用电源会怎样?”在第1部分,我们介绍了输入电压规格。现在第2部分将介绍输出电流,以及超过输出电流规格时可能发生的问题。

输出电流限值

额定输出电流是选择电源时最重要的规格之一。它对于确定装置的尺寸和成本影响重大,因而设计师们都会选择电流刚刚满足自身要求的电源。在这种情况下,设计人员往往会选择能够满足“正常”工作电流的电源,以节省成本和尺寸,同时还必须假定它可以在短时间内处理峰值电流。同样的思路也适用于电流下限。然而,超过电流规格上限或下限都可能引发一些问题,包括性能下降、保护性关闭甚至是组件故障。

超出输出电流限值引发性能问题

能效、调节和电磁辐射(EMI)是在超过额定输出电流运行电源时受影响的一些最重要的规格。

随着输出电流的增大,输出功率也会变大。如果各种负载水平的能效是固定的,那么额外增加的电流将导致电源内的功耗出现线性增长。这样增加的功率损失会导致组件温度升高,很可能引发高温故障。在实际操作中,能效不太可能保持恒定,而且如下图所示,电源尚未达到最大负载就已经触及峰值能效的情况很常见,常常导致能效降至额定电流以下的水平。这就导致相对于负载增长的功耗呈指数级增长,从而导致最高温度的下降速度远高于能效恒定时的降速。除了高温问题之外,能效的降低还可能导致电源和/或系统的能效调节发生故障。图中还表明,使用电源时,如果超出额定负载200 W的幅度达到20%,能效就会下降到比91%的规格整整低一个百分点的水平。这将导致功耗增长30%。

图中显示一个200 W AC-DC电源的能效和功耗曲线
200 W AC-DC电源的能效和功耗

负载调节是超过额定输出电流运行时发生问题的另一种规格。负载调节告诉用户,负载在空载和满载之间变化时,预计输出电压的最大变化区间。下图举例显示了一个200 W AC-DC电源的负载调节。这一特定电源的输出电压随着电流的增加而下降。然而情况并非总是如此,因为有些电源的输出电压会随着负载的增加而升高。无论是哪种方式,超过指定电流范围运行都可能导致输出电压超出其负载调节规格,从而导致不能接受超限电压的应用出现问题。

输入范围较小的应用通常利用外部电压检测连接,进而调节负载上的输出电压而不是电源的输出。利用外部传感功能,通过增加电源的输出电压来补偿通常在电源和负载之间出现的输出电压的下降。结果是,通常会有可以补偿的最大电压的规格,以防止由于电压增大而损坏电源。

图中显示一个200 W AC-DC电源的输出电压调节
200 W AC-DC电源的输出电压调节

在具有最小电流额定值的电源中,低于该限值运行也可能导致设备超出调节规格范围运行。这些电源通常是小型低成本装置,具有简单的控制方案,不能设计用于处理轻负载时出现的问题。在多个输出电源中,还可以指定最小电流,在其指定范围内调节次级输出时有必要这么做。

与输出电流相关的最后一个不太明显的问题是EMI的增加。开关电源是电气噪音很大的设备,因而会投入大量的电路板空间放置滤波器组件,旨在帮助满足监管要求;这样做通常刚好足够通过必要测试。即便是在指定负载范围内运行,使用一些负载之后仍然会发生问题。通常,预计EMI的量级会随负载增加而增大,超过最大负载运行可使EMI超过故障阈值。如果滤波器在负载增加时效果下降,问题就会更加复杂。这些组件中增加的电流和/或温度也可以改变它们的值并改变滤波器的响应。

超过输出电流范围导致保护性关闭

上述规格相关问题都假设电源允许用户超过最大输出电流进行操作。然而大多数电源都配备了某种形式的过流保护,可防止负载超过一定的电流阈值。

一些电源明确定义了接近额定输出的阈值,超过该额定输出,过流保护就会启动。试图根据标称电流确定电源大小并让峰值电流需求超过电流额定值的用户也可能会遭遇这种保护导致的输出关闭。

还有其他保护方案具有范围更大的公差,允许负载大幅超过最大额定输出。如果在某些电源中启用了保护而在其他电源中不启用,各个电源之间的阈值差异则可能引发问题。如果输出未关闭,则电源将会超过最大电流运行,从而导致与规格相关的问题或故障。

此外,较为复杂的电源可以防止电流降至最低额定值以下,而其他电源在这类条件下则会完全禁用运行。在轻负载条件下无法可靠调节的电源会导致输出电压过高,从而触发保护。

超过输出电流限值导致组件故障

虽然先前的问题并不总会导致电源组件的故障或损坏,但是由于负载电流增加,许多组件将承受额外的电压和/或电流应力,从而面临更大的风险。

随着输出电流的增加,整个动力传动系中的组件电流也会增加。由于电流增加,MOSFET、二极管、电阻器甚至铜走线等组件的功耗和温度都会升高。具有固定电压的二极管和其他组件的功耗将会出现线性上升,而具有电阻元件的MOSFET和组件的功耗将会相对于负载增加表现出指数级增长。这两种情况都会导致温度升高、可靠性降低和故障风险增加。

扼流圈和变压器等磁性组件在像前述组件一样增加了传导损耗的同时,还可能发生磁芯损耗增加并被推入饱和状态,从而产生更多损耗和热量。磁性组件饱和之后还可能导致电源停止运行或在其他组件(例如MOSFET和二极管)中产生更多电流。例如在降压转换器中,纹波电流与电感直接相关。当电感开始下降时,MOSFET和二极管中的峰值电流就会随之增加。

除了分散的磁性组件之外,还存在寄生电感,例如变压器的漏电感。当开关改变状态时,这些寄生组件会导致达到电压峰值,并且该峰值的幅度会随负载的增加而上升。发生变压器漏电时,电压峰值会施加到MOSFET上,而且峰值过大可能导致MOSFET故障。其他组件(例如检测电压和电流的组件)会感应到上述电压峰值,这将导致控制器接收到错误的电压和电流信息 - 导致性能变差或发生故障。

结论

选择电源时,功率、尺寸和成本都是重要因素。遗憾的是,改进一个因素通常会反过来影响其他因素,选择更大的功率通常意味着购买更大和/或更昂贵的电源。即便如此,用户仍会冒着可能发生问题的风险,试图强行提高这三大因素。输出电流就是这样一个问题领域,它几乎影响电源中的所有组件。一些影响是显而易见的,而另一些影响则很容易被忽视,并引发眼前或长期的问题。在超过电源输出电流额定值运行之前,用户应咨询电源制造商以了解这样做的风险或寻求替代解决方案。

有用资源

阅读我们的“极限挑战”系列中介绍输入电压的第1部分。
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Ron Stull

Ron Stull

电源系统工程师

Ron Stull自2009年加入CUI以来,在模拟和数字电源以及ac-dc和dc-dc功率转换方面积累了丰富的知识和经验。他在CUI的工程团队中发挥重要作用,其职责包括应用支持、测试和验证以及设计。在从事电力工程工作之余,Ron会与他的妻子一起弹吉他、跑步和参加户外旅行,他们的目标是游遍所有美国国家公园。

 
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