РадиоЛоцман - Все об электронике

Часто задаваемые вопросы об удельной мощности: вернемся к основам

Чем отличается удельная мощность от удельной энергоемкости и почему удельная мощность является ключевым параметром при разработке источников питания?

Часто задаваемые вопросы об удельной мощности: вернемся к основам

Чтобы создать надежный источник питания, необходимо понимать ключевые моменты и специфические факторы, определяющие его удельные характеристики.

Является ли удельная мощность эквивалентом удельной энергоемкости?

Удельная мощность и удельная энергоемкость являются совершенно разными параметрами.

Удельная энергоемкость (Вт∙ч/кг) определяется как количество энергии, которую можно сохранить в одной базовой единице измерения массы (кг), площади (м2) или объема (л), а удельная мощность (Вт/кг) показывает, какое количество энергии может пройти через такую же базовую единицу (массы, площади, объема) за единицу времени (с). Когда говорят, что система является энергоемкой, то подразумевают, что она может сохранить значительное количество энергии и при этом имеет небольшую массу, площадь или объем.

Например, удельная энергоемкость аккумулятора показывает количество энергии, которое можно сохранить в одной единице его массы, а удельная мощность – максимальную скорость потребления или отдачи энергии, которую при той же массе можно достичь в процессе заряда или разряда.

Аккумуляторы обычно имеют высокую удельную энергоемкость и низкую удельную мощность, а конденсаторы наоборот – чаще всего имеют высокую удельную мощность и низкую удельную энергоемкость. Из-за этого конденсаторы способны обеспечить очень большие, но кратковременные, разрядные токи, в то время как аккумуляторы больше подходят для приложений, длительно потребляющих небольшой ток.

Почему удельная мощность является ключевым параметром?

Удельная мощность является ключевым параметром источников питания, особенно для приложений с ограниченными размерами. Примером таких приложений являются центры обработки данных, в которых информационное оборудование заполняет все доступное пространство. Поскольку количество обрабатываемой информации постоянно увеличивается, что приводит к неизбежному увеличению энергопотребления, то для источников питания с низкой удельной мощностью, не способных пропустить через выделенный объем требуемое количество энергии, в подобных приложениях может просто не оказаться места.

Еще одной областью, где удельная мощность играет ключевую роль, является альтернативная энергетика, которая с каждым годом становится все более необходимой для жителей Земли. В этом случае удельная мощность показывает, какое количество энергии можно получить с одного квадратного метра в течение некоторого времени (Вт/м2).

Как увеличить удельную мощность?

Чаще всего увеличение удельной мощности приводит к уменьшению размеров системы (см. Рисунок 1).

Комбинация контроллера и силовых транзисторов в одном силовом модуле позволяет уменьшить размеры печатной платы до 60%
Рисунок 1. Комбинация контроллера и силовых транзисторов в одном силовом модуле позволяет
уменьшить размеры печатной платы до 60%.

Значительный вклад в увеличение удельной мощности питающих устройств вносит Ассоциация производителей блоков питания (Power Supply Manufacturers Association, PSMA), работающая над созданием объемных силовых модулей с размерами, позволяющими установить их на печатной плате. Эта группа производителей оказывает также помощь в разработке контроллеров электродвигателей с улучшенным температурным контролем, имеющих повышенные значения удельной мощности и плотности выходного тока.

PSMA занимается крупносерийным производством готовых встраиваемых модулей. Подобный подход, совместно с использованием высокоинтегрированных силовых компонентов, позволяет значительно увеличить КПД и уменьшить размеры источников питания. Однако при использовании встраиваемых узлов с высокой удельной мощностью необходимо учитывать и преодолевать «тепловой барьер», появляющийся из-за того, что тепло, образующееся внутри объемного модуля, сложнее отвести от силовых элементов, чем в случае обычной плоской компоновки.

Как образом технология GaN-на-SiC может увеличить удельную мощность?

Теплопроводность карбида кремния (SiC) в три раза больше, чем у кремния (Si), поэтому нитрид-галлиевые (GaN) полупроводниковые приборы на подложках из карбида кремния (GaN-на-SiC) способны работать при более высоких напряжениях и рассеивать большую мощность, по сравнению с нитрид-галлиевыми аналогами, созданными на подложках их чистого кремния (GaN-на-Si). Эта особенность является ключевой для телекоммуникационного оборудования и устройств с беспроводными интерфейсами, требующих эффективного отвода тепла.

Создать устройства с высокой удельной мощностью на основе кремниевых полупроводниковых приборов принципиально невозможно. Однако теперь разработчикам доступны компактные нитрид-галлиевые транзисторы с малым уровнем потерь, поэтому замена кремниевых приборов на нитрид-галлиевые позволяет одновременно и уменьшить количество выделяемого тепла, и, за счет хорошей теплопроводности карбида кремния, облегчить температурные режимы мощных компонентов.

Влияют ли геометрические размеры источника питания на величину его удельной мощности?

Прежде всего, необходимо обратить внимание на то, что увеличение КПД источника питания обычно всегда приводит к уменьшению его геометрических размеров, ведь удельная мощность, фактически, равна отношению выходной мощности устройства к объему «коробки», занимаемой его компонентами (длина × ширина × высота). При проектировании любого источника питания разработчики, в первую очередь, стараются уменьшить размеры пассивных силовых компонентов, принципиально необходимых для его работы: конденсаторов, дросселей и трансформаторов.

Использование приборов, изготовленных из полупроводников с широкой запрещенной зоной (Wide-Bandgap, WBG), в том числе и транзисторов, изготовленных по технологиям GaN-на-SiC, позволяет повысить рабочую частоту преобразования современных источников питания и, тем самым, уменьшить размеры пассивных компонентов. Однако увеличение частоты переключений приводит к увеличению динамических потерь, что, в свою очередь, приводит к увеличению температуры полупроводниковых приборов. На практике эти проблемы решаются как с помощью инновационных систем охлаждения, так и с помощью специализированных схем управления силовыми транзисторами.

Кроме того, члены PSMA разработали несколько оригинальных методов интеграции на основе объемной компоновки, использование которых позволяет сократить объем «коробки», занимаемой источником питания.

Объемный монтаж

Размеры печатной платы ограничены во многих приложениях, поэтому специалисты PSMA пошли по пути вертикального размещения элементов источников питания (3D-stacking). В этом случае контроллер, активные и пассивные компоненты, в том числе и индуктивные, располагаются друг над другом в виде сложной многослойной конструкции.

При использовании объемного монтажа силовые элементы устанавливаются на нескольких печатных платах, причем некоторые компоненты даже могут устанавливаться в плоскости платы в специальных отверстиях. Взаимное расположение печатных плат внутри литого корпуса также тщательно продумывается и оптимизируется. В конечном итоге, использование объемного монтажа позволяет увеличить удельную мощность готового модуля и значительно уменьшить общую длину соединений между компонентами.

Кроме того, в новых разработках активно используются и другие передовые технологии, в числе которых и методы, позволяющие уменьшить размеры печатных плат до такой степени, когда можно полностью отказаться от их применения, что также позволяет дополнительно увеличить объемную удельную мощность (Вт/см3).

В каких системах требуется высокая удельная мощность?

Дроны

Тяговые системы большинства дронов создаются на основе электродвигателей, преимуществами которых являются высокий КПД, малые уровни шума и тепловыделения, а также высокая точность управления. Несмотря на то, что двигатели внутреннего сгорания (ДВС) имеют более высокую удельную мощность, а химическое топливо более высокую энергоемкость, отсутствие у ДВС перечисленных особенностей не позволяет их использовать в подобной технике.

Источником энергии для электродвигателей дронов могут служить топливные элементы и аккумуляторы. Если силовая установка дрона питается только от топливных элементов, то их маневренность может быть ограничена. Из-за этого топливные элементы обычно используются совместно с аккумуляторами, имеющими более высокую удельную мощность и меньшее время отклика. Такое решение позволяет повысить уровень максимальной мощности энергетической установки и обеспечить быстрый взлет и набор высоты.

Вместо аккумуляторов могут использоваться также и суперконденсаторы, обладающие еще более высокой удельной мощностью. Кроме того, суперконденсаторы имеют высокую скорость заряда/разряда и устойчивы к перезаряду, что позволяет значительно уменьшить колебания напряжения на питающей шине. Таким образом, суперконденсаторы могут дополнительно усилить гибридную энергетическую систему дрона, увеличив ее удельную мощность и уменьшив время отклика.

Центры обработки данных

Центры обработки данных испытывают растущую потребность в более высокой удельной мощности и повышении уровня резервирования.

Особенностью потребления энергии информационным оборудованием является резкое колебание уровня энергопотребления, что потребовало пересмотра подходов к построению систем электропитания, разработанных 40 лет назад, в том числе, и требований к величине удельной мощности. На сегодняшний день энергопотребление ИТ-стоек продолжает увеличиваться в геометрической прогрессии, поэтому чем выше удельная мощность конкретного оборудования, тем более качественно оно может удовлетворить потребности конечных пользователей.

Таким образом, использование ИТ-оборудования с традиционной удельной мощностью 40…80 Вт/фут2 (430…861 Вт/м2) в самом ближайшем будущем уже не сможет удовлетворить потребности клиентов.

Радиосвязь

Мощность радиоволны, создаваемой передатчиком, также можно выразить через удельную мощность, показывающую какое количество энергии проходит через единицу площади пространства (Вт/м2). При использовании изотропных антенн радиоволны излучаются во всех направлениях, поэтому удельную мощность радиосигнала на расстоянии R от антенны можно определить как мощность передатчика, деленную на площадь поверхности сферы с данным радиусом (4πR2).

Поскольку площадь поверхности сферы увеличивается пропорционально квадрату ее радиуса, то и удельная мощность радиоволны (Вт/м2) будет уменьшаться пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и приемником.

Заключение

Удельная мощность является важной характеристикой источника питания, и без четкого понимания и учета факторов, влияющих на ее величину, будет очень сложно создать надежное и эффективное оборудование. Конечно, на итоговую конструкцию того или иного устройства будут влиять и другие параметры, в первую очередь, функциональное назначение и температура окружающей среды. Однако понимание факторов, влияющих на удельную мощность, позволит создавать системы с высоким КПД и длительным сроком эксплуатации, характеристики которых будут оставаться на высоком уровне в течение многих лет.

Перевод: Александр Русу по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: FAQs About Power Density: Back to Basics

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

10BASE-T1L Ethernet по витой паре: реализация на основе микросхем Analog Devices
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя