Redundancja zasilania to zagadnienie pojawiające się wszędzie tam, gdzie dyspozycyjność aplikacji jest na tyle istotna, że warto zainwestować w dodatkowe komponenty umożliwiające jej realizację. Bezdyskusyjne jest doposażenie układu w dodatkowe źródło zasilania, ale połączenie równoległe nie zawsze jest już tak oczywiste.
Na rynku dostępne są zasilacze dopuszczające pracę równoległą (synchronizujące pracę), ale takie wykonania potrafią kosztować niewspółmiernie więcej niż standardowe. Oczywiście te ostanie można próbować łączyć bezpośrednio, lecz dopiero po spełnieniu pewnych wymagań – takie samo napięcie wyjściowe i moc (w praktyce zaleca się stosowanie identycznych typów zasilaczy), a ponadto powinny być wyposażone w dokładną regulację napięcia wyjściowego. Rozwiązuje to jednak problem tylko częściowo. W przypadku długich czasów pracy i zmian temperaturowych pierwotnie dostrojone napięcia wyjściowe mogą „pływać” (rozrzuty produkcyjne, nierównomierna kompensacja temperaturowa),a to bezpośrednio wpłynie na niesymteryczne obciążenie obu źródeł. Niestety z upływem czasu stan ten będzie się pogłębiać. Niebezpieczeństwem dla całego układu jest też możliwość uszkodzenia jednego zasilacza spowodowane zwarciem obwodów wyjściowych. W tej sytuacji niezawodność całej aplikacji redukuje się do niezawodności jednego ze źródeł.
Diody separujące
Pośrednim rozwiązaniem jest stosowanie diod separujących równolegle źródła napięcia. To dość prosty układ, co jest jego niewątpliwą zaletą. Eliminuje on rozpływ prądów pomiędzy zasilaczami (dopuszczalne drobne rozbieżności między napięciami wyjściowymi) oraz ryzyko awarii całego układu na skutek zwarcia w jednym z obwodów. Wadą tego rozwiązania natomiast jest obniżenie poziomu napięcia na odbiorniku o spadek napięcia na samej diodzie. W przypadku diod krzemowych i dużych prądów wyjściowych wynosi on ok. 1 V, co przekłada się również na istotne straty mocy w samym złączu. Dla prądów o wartości 20 A straty sięgają już kilkunastu watów. Obniża to sprawność, a dodatkowo wymaga stosowania sporych radiatorów. W tak prostym układzie, co jak wspomniałem nierzadko może być zaletą, nie jesteśmy również w stanie realizować funkcji zabezpieczeń m.in. przed przeciążeniem czy nadmiernym wzrostem napięcia wyjściowego w jednej z sekcji zasilania. Powodem jest brak możliwości sterowania złączem p-n jakim jest sama dioda.
Moduły z tranzystorem typu MOSFET
Ostatnim typem modułów redundancyjnych są nieco bardziej rozbudowane moduły wykorzystujące tranzystory typu MOSFET. Wydają się one być lekiem na wszystkie ograniczenia rozwiązań przedstawionych powyżej, a ich jedyną wadą może pozostać cena. Sama ich konstrukcja sprowadza się do zastąpienia diod tranzystorami polowymi z izolowaną bramką. Oprócz wielu zalet – istotnych głównie dla konstruktorów elektroników – warto zwrócić uwagę na trzy zasadnicze cechy:
- monitoring i sterownie pracą,
- szybkość działania
- niskie straty mocy.
Dwie ostatnie zawdzięczamy tylko i wyłącznie samym tranzystorom. Zarówno szybkość załączania i wyłączenia (kilkanaście nanosekund), jak i straty mocy wynikają z samej budowy złącza. W stanie przewodzenia (dana sekcja zasilania załączona) spadek napięcia na złączu DS wynosi od kilkunastu do kilkudziesięciu mV. Powoduje to niewielki wpływ na poziom napięcia zasilania na odbiorniku, a co najważniejsze straty mocy są o rząd mniejsze niż w przypadku diod (w praktyce – maksymalnie pojedyncze waty). Przekłada się to na niewielkie gabaryty samych modułów redundancyjnych i – jak istotną dziś – sprawność całego układu zasilania.
Monitoring i sterownie to natomiast nic innego jak funkcje bezpieczeństwa, takie jak sygnalizacja zbyt dużych różnic między napięciami z obu sekcji, niedopuszczalne ich poziomy czy przekraczanie prądów znamionowych.
Bez sugestii wybór jednego z trzech proponowanych rozwiązań pozostawiam jak zwykle w gestii architekta systemu … w tym przypadku zasilania:-)
Marek Piątkowski, WAGO.PL
Bardzo ciekawy i pomocny artykuł.