ההבדל בין ספקי כוח מבודדים ללא מבודדים, קריאה חובה למתחילים!

"דיילת בת 23 של חברת התעופה צ'יינה סאות'רן איירליינס התחשמלה בזמן שדיברה באייפון 5 שלה בזמן שהוא נטען", הידיעה משכה תשומת לב רבה ברשת. האם מטענים יכולים לסכן חיים? מומחים מנתחים את דליפת השנאי בתוך מטען הטלפון הנייד, דליפת זרם חילופין 220 וולט AC לקצה DC, ודרך קו הנתונים למעטפת המתכת של הטלפון הנייד, ובסופו של דבר מובילה להתחשמלות, טרגדיה בלתי הפיכה.

אז מדוע יציאת מטען הטלפון הנייד מגיעה עם מתח AC של 220 וולט? למה עלינו לשים לב בבחירת ספק כוח מבודד? כיצד להבחין בין ספקי כוח מבודדים ללא מבודדים? הדעה הרווחת בתעשייה היא:

1. ספק כוח מבודדאין קשר חשמלי ישיר בין לולאת הקלט ללולאת הפלט של ספק הכוח, והקלט והפלט נמצאים במצב מבודד בעל התנגדות גבוהה ללא לולאת זרם, כפי שמוצג באיור 1:

2, ספק כוח לא מבודד:יש לולאת זרם ישר בין הקלט לפלט, לדוגמה, הקלט והפלט משותפים. מעגל flyback מבודד ומעגל BUCK לא מבודד נלקחים כדוגמאות, כפי שמוצג באיור 2. איור 1 ספק כוח מבודד עם שנאי

1. היתרונות והחסרונות של ספק כוח מבודד וספק כוח לא מבודד

בהתאם לתפיסות הנ"ל, עבור טופולוגיית ספק כוח נפוצה, ספק כוח לא מבודד כולל בעיקר Buck, Boost, buck-boost וכו'. לספק כוח מבודד יש בעיקר מגוון טופולוגיות של flyback, forward, half-bridge, LLC וטופולוגיות אחרות עם שנאי בידוד.

בשילוב עם ספקי כוח מבודדים ולא מבודדים נפוצים, אנו יכולים להבין באופן אינטואיטיבי חלק מהיתרונות והחסרונות שלהם, היתרונות והחסרונות של השניים כמעט הפוכים.

כדי להשתמש בספקי כוח מבודדים או לא מבודדים, יש להבין כיצד הפרויקט עצמו זקוק לספקי כוח, אך לפני כן, ניתן להבין את ההבדלים העיקריים בין ספקי כוח מבודדים ללא מבודדים:

① מודול הבידוד בעל אמינות גבוהה, אך עלות גבוהה ויעילות נמוכה. 

②מבנה המודול הלא מבודד הוא פשוט מאוד, בעל עלות נמוכה, יעילות גבוהה וביצועי בטיחות ירודים. 

לכן, במקרים הבאים, מומלץ להשתמש באספקת חשמל מבודדת:

① במקרה של אירועי התחשמלות אפשריים, כגון העברת חשמל מהרשת לאירועי DC במתח נמוך, יש להשתמש באספקת חשמל AC-DC מבודדת;

② אפיק התקשורת הטורית מעביר נתונים דרך רשתות פיזיות כגון RS-232, RS-485 ורשת מקומית של בקרים (CAN). כל אחת מהמערכות המחוברות יחד מצוידת באספקת חשמל משלה, והמרחק בין המערכות לרוב גדול. לכן, בדרך כלל עלינו לבודד את ספק הכוח לצורך בידוד חשמלי כדי להבטיח את האבטחה הפיזית של המערכת. על ידי בידוד וניתוק לולאת ההארקה, המערכת מוגנת מפני פגיעות מתח גבוה חולפות ועיוות האות מצטמצם.

③ עבור יציאות קלט/פלט חיצוניות, כדי להבטיח פעולה אמינה של המערכת, מומלץ לבודד את ספק הכוח של יציאות הקלט/פלט.

הטבלה המסכמת מוצגת בטבלה 1, והיתרונות והחסרונות של השניים כמעט הפוכים.

טבלה 1 יתרונות וחסרונות של ספקי כוח מבודדים ולא מבודדים

2, הבחירה בין כוח מבודד לכוח לא מבודד

על ידי הבנת היתרונות והחסרונות של ספקי כוח מבודדים ולא מבודדים, לכל אחד מהם יתרונות משלו, והצלחנו לקבל החלטות מדויקות לגבי כמה אפשרויות נפוצות של ספקי כוח משובצים:

① ספק הכוח של המערכת משמש בדרך כלל לשיפור ביצועי מניעת הפרעות ולהבטחת אמינות.

② אספקת חשמל של מעגל משולב או חלק מהמעגל בלוח המעגלים, החל מחיסכון וחסכון בנפח, עם עדיפות לתוכניות ללא בידוד.

③ לצורך דרישות בטיחות, אם עליכם לחבר את מתח החשמל העירוני (AC-DC) או את ספק הכוח לשימוש רפואי, על מנת להבטיח את בטיחות האדם, עליכם להשתמש בספק הכוח. במקרים מסוימים, עליכם להשתמש בספק הכוח כדי לחזק את הבידוד.

④ עבור אספקת חשמל של תקשורת תעשייתית מרחוק, על מנת להפחית ביעילות את השפעות הבדלים גיאוגרפיים והפרעות צימוד חוטים, הוא משמש בדרך כלל כאספקת חשמל נפרדת להפעלת כל צומת תקשורת בנפרד.

⑤ לשימוש באספקת חשמל של סוללה, נעשה שימוש באספקת חשמל ללא בידוד לצורך עמידות לאורך זמן.

על ידי הבנת היתרונות והחסרונות של ספקי כוח מבודד ולא מבודד, יש להם יתרונות משלהם. עבור כמה עיצובים נפוצים של ספקי כוח משובצים, נוכל לסכם את המקרים בהם נבחרו.

1.Iספק כוח בידוד 

על מנת לשפר את ביצועי מניעת ההפרעות ולהבטיח אמינות, בדרך כלל משתמשים בבידוד.

לצורך דרישות בטיחות ואבטחה, אם עליכם להתחבר למתח AC-DC של חברת החשמל העירונית, או לספק הכוח לשימוש רפואי ולמכשירים לבנים, על מנת להבטיח את בטיחות האדם, עליכם להשתמש בספק כוח, כגון MPS MP020, עבור ספק הכוח המקורי AC-DC, המתאים ליישומי 1 ~ 10W;

עבור אספקת חשמל לתקשורת תעשייתית מרחוק, על מנת להפחית ביעילות את השפעות הבדלים גיאוגרפיים והפרעות צימוד חוטים, הוא משמש בדרך כלל לאספקת חשמל נפרדת להפעלת כל צומת תקשורת בנפרד.

2. ספק כוח ללא בידוד 

המעגל המשולב או מעגל כלשהו בלוח המעגלים מופעל על ידי יחס המחיר והנפח, והפתרון ללא בידוד עדיף; כגון סדרת MPS MP150/157/MP174 ללא בידוד AC-DC, מתאים ל-1 ~ 5W;

במקרה של מתח עבודה מתחת ל-36V, הסוללה משמשת לאספקת חשמל, ויש דרישות מחמירות לעמידות, ועדיף ספק כוח ללא בידוד, כגון MP2451/MPQ2451 של MPS.

היתרונות והחסרונות של ספק כוח מבודד ואספקת כוח ללא בידוד

על ידי הבנת היתרונות והחסרונות של ספקי כוח מבודד ולא מבודד, יש להם יתרונות משלהם. עבור כמה אפשרויות נפוצות של ספקי כוח משובצים, נוכל לעקוב אחר תנאי השיפוט הבאים:

מטעמי בטיחות, אם עליכם להתחבר למתח AC-DC של החשמל העירוני, או לאספקת החשמל למטרות רפואיות, על מנת להבטיח את בטיחות האדם, עליכם להשתמש באספקת החשמל, ובמקרים מסוימים יש להשתמש כדי לשפר את אספקת החשמל המבודדת. 

באופן כללי, הדרישות למתח בידוד הכוח של המודול אינן גבוהות במיוחד, אך מתח בידוד גבוה יותר יכול להבטיח שלספק הכוח של המודול יהיה זרם דליפה קטן יותר, אבטחה ואמינות גבוהות יותר, ומאפייני EMC טובים יותר. לכן, רמת מתח הבידוד הכללית היא מעל 1500 וולט DC.

3אמצעי זהירות לבחירת מודול כוח בידוד

התנגדות הבידוד של ספק הכוח נקראת גם חוזק נגד חשמל בתקן הלאומי GB-4943. תקן GB-4943 זה הוא תקני האבטחה של ציוד מידע שאנו נוטים לומר, כדי למנוע מאנשים נזק פיזי וחשמלי בתקנים הלאומיים, כולל הימנעות מנזקי התחשמלות, נזק פיזי ופיצוץ. כפי שמוצג להלן, תרשים המבנה של ספק הכוח המבודד.

דיאגרמת מבנה כוח בידוד

כאינדיקטור חשוב להספק המודול, נקבעו גם שיטת הבידוד והבדיקה ללחץ בתקן. באופן כללי, בדיקת חיבור פוטנציאל שווה משמשת בדרך כלל במהלך בדיקות פשוטות. תרשים סכמטי החיבור הוא כדלקמן:

דיאגרמה משמעותית של התנגדות בידוד

שיטות בדיקה: 

הגדר את מתח התנגדות המתח לערך התנגדות המתח שצוין, הזרם מוגדר כערך הדליפה שצוין, והזמן מוגדר לערך זמן הבדיקה שצוין;

מדי לחץ הפעלה מתחילים בבדיקה ומתחילים ללחוץ. במהלך זמן הבדיקה שנקבע, המודול צריך להיות ללא דוגמאות וללא קשתות זבובות.

שים לב שיש לבחור את מודול כוח הריתוך בזמן הבדיקה כדי למנוע ריתוך חוזר ונזק למודול הכוח.

בנוסף, שימו לב:

1. שימו לב אם זה AC-DC או DC-DC.

2. בידוד מודול הספק המבודד. לדוגמה, האם מתח הזרם הישר של 1000 וולט עומד בדרישות הבידוד.

3. האם מודול הספק המבודד עבר בדיקת אמינות מקיפה. יש לבצע את מודול הספק באמצעות בדיקות ביצועים, בדיקות סבילות, תנאי מעבר, בדיקות אמינות, בדיקת תאימות אלקטרומגנטית EMC, בדיקות טמפרטורה גבוהה ונמוכה, בדיקות קיצוניות, בדיקות אורך חיים, בדיקות אבטחה וכו'.

4. האם קו הייצור של מודול הכוח המבודד הוא סטנדרטי. קו הייצור של מודול הכוח צריך לעבור מספר אישורים בינלאומיים כגון ISO9001, ISO14001, OHSAS18001 וכו', כפי שמוצג באיור 3 להלן.

איור 3 הסמכת ISO

5. האם מודול הספק מבודד מיושם בסביבות קשות כגון תעשייה ומכוניות. מודול הספק מיושם לא רק בסביבה תעשייתית קשה, אלא גם במערכת ניהול BMS של כלי רכב בעלי אנרגיה חדשה.

4,Tהתפיסה של כוח הבידוד וכוח אי-הבידוד 

ראשית, מוסברת אי הבנה: אנשים רבים חושבים שספק כוח ללא בידוד אינו טוב כמו ספק כוח מבודד, מכיוון שספק כוח מבודד יקר, ולכן הוא חייב להיות יקר.

מדוע עדיף להשתמש בכוח בידוד על פני אי-בידוד, לפי הרושם של כולם כיום? למעשה, רעיון זה נשאר ברעיון שלפני מספר שנים. מכיוון שיציבות אי-הבידוד בשנים קודמות אכן נותרה ללא בידוד ויציבות, אך עם עדכון טכנולוגיית המחקר והפיתוח, אי-הבידוד בוגר מאוד והופך ליציב יותר. אם כבר מדברים על אבטחה, למעשה, כוח אי-בידוד הוא גם בטוח מאוד. כל עוד המבנה משתנה מעט, הוא עדיין בטוח לגוף האדם. מאותה סיבה, כוח אי-בידוד יכול גם לעמוד בתקני אבטחה רבים, כגון: Ultuvsaace.

למעשה, שורש הנזק לאספקת החשמל שאינה מבודדת נגרם על ידי מתח נחשול בשני קצוות קו החשמל AC. ניתן גם לומר שגל הברק הוא גל נחשול. מתח זה הוא מתח גבוה מיידי בשני קצוות קו המתח AC, לפעמים גבוה עד שלושת אלפים וולט. אבל הזמן קצר מאוד והאנרגיה חזקה ביותר. זה יקרה בעת רעם, או באותו קו AC, כאשר עומס גדול מנותק, מכיוון שגם אינרציה של הזרם תתרחש. מעגל BUCK המבודד יעביר באופן מיידי את הפלט, יפגע בטבעת גילוי הזרם הקבוע, או יגרום נזק נוסף לשבב, ויגרום ל-300 וולט לעבור, ולשרוף את כל המנורה. עבור ספק כוח מבודד אנטי-אגרסיבי, ה-MOS יינזק. התופעה היא שאחסון, שבב וצינורות MOS נשרפים. כעת, ספק כוח המונע על ידי LED פגום במהלך השימוש, ויותר מ-80% משתי תופעות דומות. יתר על כן, ספק כוח ממותג קטן, גם אם מדובר במתאם חשמל, ניזוק לעיתים קרובות מתופעה זו, הנגרמת ממתח גלים, ובספק כוח LED, זה נפוץ אף יותר. הסיבה לכך היא שמאפייני העומס של ה-LED חוששים במיוחד מגלים. המתח.

על פי התיאוריה הכללית, ככל שיש פחות רכיבים במעגל האלקטרוני, כך האמינות גבוהה יותר, וככל שיש פחות אמינות של לוח המעגלים, כך האמינות של יותר רכיבים נמוכה יותר. למעשה, מעגלים ללא בידוד נמוכים יותר ממעגלים בידוד. מדוע אמינות מעגל הבידוד גבוהה? למעשה, אין אמינות גבוהה, אך מעגל ללא בידוד רגיש מדי לנחשולי מתח, בעל יכולת עיכוב נמוכה ומעגל בידוד, מכיוון שהאנרגיה נכנסת תחילה לשנאי, ולאחר מכן מעבירה אותה מהשנאי לעומס ה-LED. מעגל ה-buck הוא חלק מאספקת החשמל הקלט ישירות לעומס ה-LED. לכן, לראשון יש סיכוי גבוה לנזק עקב דיכוי והנחתה של נחשולי מתח, ולכן הסיכוי קטן. למעשה, בעיית חוסר הבידוד נובעת בעיקר מבעיית נחשולי מתח. כיום, בעיה זו היא שניתן לראות רק את נורות ה-LED מההסתברות שניתן לראות מההסתברות. לכן, אנשים רבים לא הציעו שיטת מניעה טובה. אנשים רבים לא יודעים מהו מתח גל, אנשים רבים. נורות ה-LED שבורות, והסיבה לא ניתן למצוא. בסופו של דבר, יש רק משפט אחד. מהי ספק הכוח הזה, והוא ייפתר. איפה הלא יציב הספציפי, הוא לא יודע.

אספקת חשמל ללא בידוד היא יעילות, והשנייה היא שהעלות היא יתרון יותר.

ספק כוח ללא בידוד מתאים לאירועים: ראשית, מדובר במנורות פנימיות. סביבת חשמל פנימית זו טובה יותר והשפעת הגלים קטנה. שנית, אירוע השימוש הוא במתח נמוך וזרם קטן. ספק כוח ללא בידוד אינו משמעותי עבור זרמי מתח נמוך, מכיוון שהיעילות של זרמים במתח נמוך וגדול אינה גבוהה יותר מבידוד, והעלות נמוכה בהרבה. שלישית, ספק כוח ללא בידוד משמש בסביבה יציבה יחסית. כמובן, אם יש דרך לפתור את בעיית דיכוי נחשולי המתח, טווח היישומים של ספק כוח ללא בידוד יתרחב מאוד!

בשל בעיית הגלים, אין לזלזל בשיעור הנזק. באופן כללי, יש לחשוב תחילה על בעיית הגלים בנוגע לתיקון, ביטוח נזקים, שבבים ו-MOS. על מנת להפחית את שיעור הנזק, יש לקחת בחשבון את גורמי הנחשולים בעת התכנון, או להפסיק את השימוש ולנסות להימנע מנחשולי מתח. (כגון מנורות פנימיות, כבו אותן לעת עתה בעת הלחימה).

לסיכום, השימוש בבידוד ובספק כוח ללא בידוד נובע לעיתים קרובות מבעיית נחשולי גלים, ובעיית הגלים וסביבת החשמל קשורות קשר הדוק. לכן, פעמים רבות לא ניתן לקצץ בשימוש באספקת חשמל מבודד ובספק כוח ללא בידוד בנפרד. העלויות הן יתרון מאוד, ולכן יש צורך לבחור ספק כוח ללא בידוד או מבודד כספק כוח להנעת LED.

5. סיכום

מאמר זה מציג את ההבדלים בין כוח מבודד לבין כוח ללא בידוד, כמו גם את היתרונות והחסרונות שלהם, מועדי הסתגלות ובחירת כוח הבידוד. אני מקווה שמהנדסים יוכלו להשתמש בזה כנקודת התייחסות בתכנון מוצר. ולאחר שהמוצר כשל, לאתר במהירות את הבעיה.