Funcionamiento de una fuente de alimentación de modo conmutado sin carga

Antecedentes

Soy un estudiante de segundo año en la universidad y quería una fuente de alimentación simple para probar un par de proyectos de mascotas sin tener que ir al laboratorio. Compré una Power-One MPU150-4350 a bajo precio en una tienda de electrónica de segunda mano. La sección de especificaciones de salida parece indicar que, para la salida de 3.3V (V1), 3A es la carga mínima, mientras que 30A es la máxima.

Sé que ejecutar una fuente de alimentación de modo conmutado sin carga puede producir voltajes de salida imprecisos e incluso dañar el sistema, aunque no entiendo exactamente por qué es así. Sin embargo, tener que extraer siempre al menos tres amperios de un riel de 3.3V me parece excesivo.

Preguntas

1. ¿Cuál es la carga mínima que puedo poner en cada una de las salidas sin dañar la fuente de alimentación?

2. ¿Funcionará una fuente de alimentación de modo conmutado sin carga durante cortos períodos de tiempo? ¿O simplemente produce voltajes de salida inestables?

3. ¿Por qué no cambiar las fuentes de alimentación como corrientes bajas?

Si solo conoce la respuesta a una de estas preguntas, no dude en publicar. Cualquier cosa que ayude obtiene +1.

Editar Este artículo será muy útil para principiantes (como yo), la respuesta a continuación es una explicación profunda y muy útil de por qué los SMPS pueden fallar debido al sobrevoltaje cuando no están suficientemente cargados.

Es difícil generalizar este tipo de comportamiento. Algunas fuentes de alimentación funcionarán a menos de la carga mínima pero con un rendimiento degradado. Es posible que se apaguen otras fuentes de alimentación, y otras aún pueden funcionar mal (oscilar / apagarse). Otros pueden comportarse perfectamente.

Muy a menudo, las fuentes de alimentación básicas utilizan topologías moduladas por ancho de pulso (PWM) con elementos de almacenamiento inductivo. La frecuencia de conmutación es fija y el ciclo de trabajo varía para controlar el voltaje de salida en función de la carga y la entrada.

Cuando la corriente en el elemento de almacenamiento inductivo nunca llega a cero, el convertidor funciona en dos estados: enciéndalo y apáguelo. Esto se llama modo de conducción continua (CCM). Una vez que se logra el CCM, el ciclo de trabajo esencialmente no varía (a menos que cambie la entrada): el comportamiento del convertidor no cambia con la carga y las cosas son bastante consistentes.

Con una carga muy ligera, no hay un nivel de corriente CC en el elemento de almacenamiento inductivo. El convertidor ahora tiene tres estados de funcionamiento: encendido, apagado y disminución de la corriente del inductor, apagado y corriente del inductor = 0. Esto se llama modo de conducción discontinua (DCM). En DCM, la carga de salida afecta el ciclo de trabajo y las variaciones de entrada.

La mayoría de los controladores tienen un PWM mínimo a tiempo que se puede lograr: si la planta intenta ordenar un ciclo de trabajo inferior a este mínimo, es posible que vea una salida errática, pulsos faltantes, alta corriente de ondulación, etc., algunos convertidores simplemente dejarán de regular (La producción aumentará). Algunos controladores detectan esto y entran en modo de ráfaga controlada para mantener la salida libremente regulada.

Además, la compensación del bucle de retroalimentación será dictada por el rendimiento del convertidor CCM, ya que hay cosas desagradables (como el medio plano cero a la derecha) en el CCM que deben estabilizarse y que esencialmente no existen en DCM: la compensación puede ser subóptimo y cosas como la respuesta transitoria se verán afectadas.

Depende del diseño de la fuente de alimentación.

Bajo luz o sin carga, un convertidor de modo conmutado que utiliza un diodo para uno de los interruptores * pasa a un modo discontinuo. En este modo para un ciclo de trabajo y voltaje de entrada dados, el voltaje de salida aumentará sustancialmente a medida que disminuya la corriente de carga.

La mayoría de las fuentes de alimentación conmutadas están reguladas. Entonces, a medida que se reduce la carga, el controlador reducirá el ancho del pulso y, por lo tanto, el ciclo de trabajo en un intento de mantener el voltaje de salida.

Sin embargo, a medida que la carga se reduce aún más, el ancho de pulso alcanza el mínimo que el controlador puede alcanzar. Lo que sucede con cargas muy pequeñas o nulas depende del diseño del controlador.

1. El controlador puede mantener el ancho de pulso mínimo y el ciclo de trabajo y permitir que el voltaje de salida aumente hasta que algo se convierta en humo.
2. El controlador puede mantener el ancho de pulso mínimo y el ciclo de trabajo permite que el voltaje de salida aumente hasta que se active un circuito de protección contra sobretensión y apague el suministro hasta que se restablezca.
3. El controlador puede mantener el ancho de pulso mínimo y el ciclo de trabajo hasta que se active una protección de sobretensión de restablecimiento automático que provoque oscilaciones salvajes en el voltaje de salida a medida que el suministro se apaga repetidamente y comienza de nuevo.
4. El controlador puede aumentar el tiempo entre pulsos. Esto permite que la regulación general de voltaje se mantenga en carga cero, pero significa que la frecuencia de la ondulación de salida depende de la carga. Esto puede provocar problemas de ruido, tanto eléctricos como audibles.

Mi experiencia es que la mayoría de las fuentes de alimentación modernas entran en la categoría 4, pero los diseños más antiguos (que a veces todavía se venden) a menudo caen en las categorías 2 o 3.

Otra alternativa es que el proveedor de la fuente de alimentación incorpore una "carga ficticia" para evitar llegar al punto en que la fuente de alimentación ya no pueda reducir el ciclo de trabajo, pero espero que eso solo se haga en aplicaciones especializadas donde la calidad de salida es Más importante que la eficiencia.

* Los convertidores que usan dos interruptores controlados activamente (conocidos como "convertidores síncronos") tienen la opción de permanecer en modo continuo independientemente de la carga (aunque a una carga ligera discontinua es más eficiente), de hecho, incluso pueden funcionar bidireccionalmente.