Operando uma fonte de alimentação de modo comutado sem carga

fundo

Sou estudante do segundo ano da universidade e queria uma fonte de alimentação simples para testar alguns projetos de animais de estimação sem ir até o laboratório. Peguei uma MPU150-4350 da Power-One a preço baixo em uma loja de eletrônicos de segunda mão. A seção de especificações de saída parece afirmar que, para a saída de 3,3V (V1), 3A é a carga mínima, enquanto 30A é a carga máxima.

Sei que operar uma fonte de alimentação comutada sem carga pode produzir tensões de saída imprecisas e até danificar o sistema, embora eu não entenda exatamente por que esse é o caso. No entanto, ter que puxar sempre pelo menos três amperes de um trilho de 3,3V me parece excessivo.

Questões

1. Qual é a carga mínima que posso colocar em cada uma das saídas sem danificar a fonte de alimentação?

2. A operação de uma fonte de alimentação comutada sem carga por curtos períodos de tempo a danificará? Ou apenas produzir tensões de saída instáveis?

3. Por que não trocar fontes de alimentação como correntes baixas?

Se você souber apenas a resposta para uma delas, não hesite em postar. Qualquer coisa que ajude recebe +1.

Editar Este artigo será muito útil para iniciantes (como eu), a resposta abaixo é uma explicação detalhada e muito útil de por que os SMPSs podem falhar devido à sobretensão quando não estão suficientemente carregados.

É difícil generalizar esse tipo de comportamento. Algumas fontes de alimentação funcionarão abaixo da carga mínima, mas com desempenho degradado. Outras fontes de alimentação podem desligar e outras ainda podem funcionar mal (oscilar / desligar). Outros podem se comportar perfeitamente.

Frequentemente, as fontes de alimentação básicas usam toplogies modulados por largura de pulso (PWM) com elementos de armazenamento indutivo. A frequência de comutação é fixa e o ciclo de trabalho é variado para controlar a tensão de saída em função da carga e da entrada.

Quando a corrente no elemento de armazenamento indutivo nunca chega a zero, o conversor opera em dois estados - ligar e desligar. Isso é chamado modo de condução contínua (CCM). Quando o CCM é alcançado, o ciclo de trabalho basicamente não varia (a menos que a entrada seja alterada) - o comportamento do conversor não muda com a carga e as coisas são razoavelmente consistentes.

Em carga muito leve, não há um nível de corrente CC no elemento de armazenamento indutivo. O conversor agora possui três estados de operação - ligar, desligar e diminuir a corrente do indutor, desligar e corrente do indutor = 0. Isso é chamado modo de condução descontínua (DCM). No DCM, a carga de saída afeta o ciclo de serviço e as variações de entrada.

A maioria dos controladores possui um tempo mínimo de PWM que pode ser alcançado - se a planta tentar comandar um ciclo de trabalho menor que esse mínimo, você poderá ver uma saída errática, pulsos ausentes, alta corrente de ondulação etc. - alguns conversores simplesmente param de regular (a produção aumentará). Alguns controladores detectam isso e entram no modo de burst controlado para manter a saída regulada livremente.

Além disso, a compensação do loop de feedback será ditada pelo desempenho do CCM do conversor, uma vez que existem coisas desagradáveis ​​(como o zero no meio plano direito) no CCM que precisam ser estabilizadas que essencialmente não existem no DCM - a compensação pode ficar abaixo do ideal e coisas como resposta transitória serão afetadas.

Depende do design da PSU.

Sob carga leve ou sem carga, um conversor de modo comutado que usa um diodo para um dos interruptores * entra em modo descontínuo. Nesse modo, para um dado ciclo de trabalho e tensão de entrada, a tensão de saída aumentará substancialmente à medida que a corrente de carga diminuir.

A maioria das fontes de alimentação comutadas é regulada. Assim, à medida que a carga é reduzida, o controlador reduz a largura do pulso e, portanto, o ciclo de trabalho, na tentativa de manter a tensão de saída.

No entanto, à medida que a carga é reduzida ainda mais, a largura do pulso atinge o mínimo que o controlador pode atingir. O que acontece com cargas muito pequenas ou nulas depende do design do controlador.

1. O controlador pode manter a largura mínima do pulso e o ciclo de trabalho e permitir que a tensão de saída aumente até que algo fume.
2. O controlador pode manter a largura mínima do pulso e o ciclo de operação, diminuindo a tensão de saída até que um circuito de proteção contra sobretensão seja acionado e desligando a alimentação até a reinicialização.
3. O controlador pode manter a largura mínima do pulso e o ciclo de trabalho até que uma proteção de sobretensão com redefinição automática seja acionada, causando oscilações violentas na tensão de saída, à medida que a fonte é desligada e reiniciada repetidamente.
4. O controlador pode aumentar o tempo entre pulsos. Isso permite que a regulação geral da tensão seja mantida até a carga zero, mas significa que a frequência da ondulação da saída depende da carga. Isso pode causar problemas de ruído, tanto elétricos quanto sonoros.

Minha experiência é que a maioria das fontes de alimentação modernas se enquadra na categoria 4, mas os projetos mais antigos (que às vezes ainda são vendidos) geralmente se enquadram nas categorias 2 ou 3.

Outra alternativa é que o fornecedor da fonte de alimentação construa uma "carga simulada" para evitar chegar ao ponto em que a fonte de alimentação não pode mais reduzir o ciclo de trabalho, mas espero que isso seja feito apenas em aplicações especializadas onde a qualidade da saída é mais importante que eficiência.

* Os conversores que usam dois comutadores controlados ativamente (conhecidos como "conversores síncronos") têm a opção de permanecer no modo contínuo, independentemente da carga (embora a carga leve seja mais eficiente), na verdade eles podem operar bidirecionalmente.