Поговорим о правильном питании

Прочитав этот заголовок, не спешите думать, что наш журнал сменил профиль. Уступая своему гастрономическому собрату в исторической продолжительности, электрический термин «питание» содержит не меньшее количество деталей, особенностей и, если продолжать выбранную аналогию, рецептов.
Разобраться с базовыми понятиями и подходами в использовании источников питания, узнать о современных решениях в этой области и об уникальных функциях, которые помогают решить самые сложные задачи при тестировании, нам поможет ведущий блога по источникам питания Agilent Technologies (rupower.tm.agilent.com) Алексей Телегин.

Идеал и реальность: основные критерии выбора источников питания

В институте при изучении основ электроники мы рассматривали все компоненты как идеальные: идеальные резисторы без последовательной индуктивности, идеальные конденсаторы без последовательного сопротивления, идеальные операционные усилители с бесконечным усилением и нулевым смещением. С источниками питания дело обстояло точно так же: постоянное напряжение с нулевым выходным сопротивлением, неограниченный выходной ток и бесконечный коэффициент стабилизации. С такими компонентами ничего не стоит разработать любую электронную систему.
Затем мы стали работать инженерами и столкнулись на практике с реальными факторами, такими как температурный коэффициент сопротивления для резисторов, тангенс угла диэлектрических потерь для конденсаторов и фазовые сдвиги в усилителях. Источники питания тоже не избежали всемогущих сил, направленных на разрушение наших идеальных представлений об электронике. Ненулевое выходное сопротивление, ограничение выходного тока и конечный коэффициент стабилизации — все как будто сговорились, чтобы затруднить нам жизнь. Влияние этих и других негативных факторов на характеристики источников питания как раз и обсуждается в этой статье.

Идеальный источник напряжения

Идеальный источник напряжения сохраняет выходное напряжение постоянным независимо от нагрузки. Например, если источник выдает постоянное напряжение +5 В, оно будет в точности равно 5 В и при отсутствии тока, и при токе 1, 10 и 500 А и т. п. Кроме того, при изменении тока нагрузки, например с 5 до 10 А, выходное напряжение будет оставаться на уровне 5 В, без каких-либо провалов (рис. 1а).



Реальный источник напряжения

К сожалению, в реальной жизни идеальных источников питания не существует. Реальный источник питания пытается поддерживать на выходе постоянное напряжение, используя цепь обратной связи для контроля выходного напряжения. Он сравнивает это напряжение с эталоном и непрерывно осуществляет регулировку в зависимости от полученной разницы. Кроме того, поскольку реальные источники питания должны помещаться в определенном пространстве, они имеют ограниченную входную мощность и ограниченную возможность рассеяния неизбежно выделяющегося тепла. В результате реальные источники питания имеют ограничения по выходному току, конечное выходное сопротивление и конечный коэффициент стабилизации. Влияние этих факторов становится заметным при потреблении тока от источника — будь то статический ток или динамический. Например, напряжение 5 В на выходе источника с выходным сопротивлением 10 мОм упадет до 4,9 В при подключении статической нагрузки 10 А. С ростом тока выходное напряжение продолжит падать (рис. 1б).
С динамическими нагрузками неидеальная природа реальных источников питания становится еще заметней. Взгляните на поведение выходного напряжения вслед за изменением нагрузки, показанное на рис. 1б. Выбросы и провалы напряжения реального источника связаны с его ненулевым выходным сопротивлением, которое зависит от частоты (Zo(f)), и зависимость эта определяется цепью внутренней обратной связи, используемой для стабилизации выходного напряжения.

Выход источника питания — аномальное поведение?

Выбирая источник питания в соответствии со своими потребностями, сначала решите, какие отклонения выходного напряжения для вас приемлемы. Оцените свои потребности для статических и динамических условий. Например, некоторые устройства, такие как сотовые телефоны, имеют встроенный детектор низкого напряжения. Обязательно поинтересуйтесь уровнем срабатывания этого детектора и временем, в течение которого напряжение должно быть ниже этого уровня, чтобы детектор сработал. Выбранный вами источник питания должен поддерживать выходное напряжение при изменении тока нагрузки и, в частности, не должен допускать срабатывания детектора низкого напряжения. Такой параметр, как нестабильность по току нагрузки, говорит о том, насколько хорошо источник поддерживает выходное напряжение при статических изменениях нагрузки. Время отклика на изменение нагрузки расскажет о том, как быстро выходное напряжение вернется в некоторый диапазон вокруг заданного выходного напряжения после изменения тока. Источники питания разного класса имеют, соответственно, и разные характеристики, как показано в приведенной ниже таблице.



Нестабильность при изменении нагрузки и время отклика на изменение нагрузки зависят от класса источника питания.

Другие неидеальности, на которые нужно обращать внимание

Кроме зависимости выходного напряжения от статических или динамических изменений нагрузки, реальные источники питания демонстрируют и другие неидеальности. Нестабильность по входному напряжению, выходной шум и взаимовлияние нескольких выходов источника питания — вот лишь несколько примеров таких явлений:
•    Нестабильность по входному напряжению является мерой статической реакции выходного напряжения на изменения входного напряжения. В первую очередь эта характеристика связана с конечным усилением цепи обратной связи и, отчасти, с нестабильностью внутреннего источника опорного напряжения.
•    Выходной шум выражается обычно значением напряжения двойного размаха или среднеквадратическим значением и указывается в некоторой полосе, например от 20 Гц до 20 МГц. Выходной шум имеет несколько источников, включая остаточные пульсации после выпрямителя, внутренние цифровые цепи и даже сами операционные усилители, используемые для стабилизации выходного напряжения.
•    В источниках питания с несколькими выходами взаимовлияние выходов является мерой реакции одного выхода на изменение тока другого выхода (или выходов).
Ясно, что чем меньше эти значения, тем ближе источник питания к «идеальному». И хотя возникает соблазн отыскать источник питания с минимальными значениями этих характеристик, благоразумнее будет оценить свои реальные потребности и выбрать источник на их основе. Поскольку во многих случаях возможны компромиссы, знание своих потребностей всегда облегчает выбор за счет расширения числа возможных вариантов, по сравнению с поиском наилучшего источника питания по всем показателям.
В зависимости от вашей задачи могут оказаться важными и другие, менее заметные неидеальности поведения:
•    Выбросы при включении и выключении входа переменного (или постоянного) напряжения.
•    Аномалии выходного напряжения при входе или выходе источника питания из режима ограничения тока (выбросы при смене режима).
Производители часто не указывают эти характеристики. Однако выбор производителя с хорошей репутацией поможет избежать проблем, поскольку такой производитель обычно предпринимает определенные меры в процессе конструирования, чтобы минимизировать эти эффекты.

Заключение

Ясно, что реальные источники питания ведут себя не так, как идеальные. Иногда такое неидеальное поведение может иметь решающее значение для вашего приложения, а иногда — нет. Выбирая источник питания, важно четко определить свои требования, чтобы максимально упростить выбор и избежать лишних затрат. Технические характеристики источника питания описывают неидеальности его поведения, поэтому ищите характеристики, отвечающие вашим требованиям. Кроме того, учитывайте, что имеются и неуказанные характеристики, которые тоже могут оказаться важными для вашего приложения. Если вы не нашли характеристики, которые вас интересуют, спросите о них производителя источника питания.