Anahtarlamalı Güç Kaynakları

Kasım 23, 2017

Anahtarlamalı Güç Kaynakları – Paralel Bağlama, Riskler/Önlemler

Özellikle GPU Mining konfigürasyonlarında paralel bağlı çift güç kaynaklarının daha çok kullanılmasıyla üreticilerin RMA problemlerinin 20-30 kat arttığı görülmektedir. Bu doküman üreticilerin ve diğer yurt dışı kaynakların derlenmesiyle paralel bağlı güç kaynaklarının bağlantı ön şartlarını ve oluşabilecek riskleri incelemektedir.

Anahtarlamalı güç kaynakları konvansiyonel adaptörler benzeri transformatörlere sahip değildirler. Bilgisayar sistemlerinde ve günümüz tüm güç kaynakları tasarımlarında kullanılan bu devrelerde klasik alçak gerilimde çalışan transformatörler kullanılsaydı bu güç kaynakları birkaç on kilo daha ağır olurlardı.

Bunun yerine, anahtarlamalı güç kaynakları, blok diyagramda görüldüğü gibi şebekeden elde edilen AC gerilim doğrultucu devre ile alçak gerilime düşürme ihtiyacı olmadan doğrudan DC gerileme dönüştürüler. Daha sonra MOSFET’ler kullanılarak yapılan anahtarlama devreleri ile kontrol devresinden elde edilen frekans ile bu gerilim darbesel bir gerilime dönüştürülür ve tekrar çıkış transformatöründe bu gerilim daha düşük gerilimlere dönüştürülür.

Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin çalışma frekansları şehir şebekesinden çok yüksektir (KHz). Bu nedenle tasarımlarında kullanılan bobin ve transformatör v.b gibi. devre elemanlarının fiziksel boyutları oldukça küçüktür, ve yüksek frekanslarda çalışmanın bir sonucu olarak kullanılan transformatörlerin boyutu dolayısıyla maliyeti düşer.

Elde edilen gerilimlerden geri besleme alınarak kıyıcı kontrol devresinin oluşturduğu darbe katarının darbe boşluk oranı değiştirilir. Darbe boşluk oranı anahtarlama devresinin ON veya OFF konumunu belirleyeceğinden ON seviyesi (yani darbe genişliği) arttıkça elde edilen gerilim artacak tersi durumda düşecektir. PWM Pulse with modulation (Darbe genişlik modülasyonu) denilen bu kontrol sistemine daha yakından bakalım.

Öncelikle geri beslemeyi dikkat almadan çalışmasına yakından bakalım. Bu resimde görüldüğü gibi darbesel bir işaret ile çalışan bir anahtarlama devresi buna bağlı bir yüksek frekans transformatörü ve daha sonra doğrultucu devreler ve filtreler var. Şebekeden alınan ve doğrultulan Uin giriş gerilim anahtarlanıyor ve Uo çıkış gerilim elde ediliyor.

Uo çıkış gerilimi bir hata yükseletici ile geri besleniyor. Elde edilen fark bir izolasyon devresi ile anahtarlama devresine geri besleniyor. Bir PWM darbe genişliği modülatöründe karşılaştırma devresi testere işareti ile bu fark gerilimini karşılaştırıyor. Kırmızı ile işaretlenen fark gerilimine göre darbenin genişliğinin nasıl ayarlandığına dikkat edin. Anahtarlanan transformatörün ikincil sarımında darbe genişliği ile orantılı bir gerilim oluşacaktır. Geri besleme devresi çıkış gerilimi düştükçe anahtarlama devresini daha fazla ON konumunda bırakacak ve durumu düzeltecektir. Çıkış gerilimi artınca da tersi olacaktır.

Anahtarlamalı güç kaynaklarında genellikle optokuplör olarak adlandırılan bir elektronik eleman kullanılır. Bu eleman sayesinde referans gerilimi ölçülerek karşılaştırma devresine iletilecek gerilim optik geçiş ile sağlanır. Dikkat edilirse anahtarlamalı güç kaynaklarının birincil devresi ile ikincil devreleri arasında hiçbir elektriksel bağlantı yoktur. İleriye doğru devrede transformatör ve geri beslemede de optokuplör elektriksel yalıtımı sağlar. Anahtarlamalı güç kaynakları;

Yapıları doğrusal (lineer) regülatörlere göre daha karmaşık ve zordur. Bu nedenle maliyetleri daha yüksektir.
• Çıkış gürültü seviyeleri ve dalgalılık oranları daha yüksektir. İlave filtre devreleri kullanımına gereksinim duyulur. Bu durum maliyeti artırır.
• Yük akımlarında ve giriş gerilimlerinde meydana gelen değişimleri algılama ve tepki verme süreleri daha uzundur.
• Anahtarlamalı gerilim regülatörleri yapılarından dolayı, elektromanyetik ve radyo frekanslı (EMI-RFI) girişimlere sebep olurlar. Bu nedenle özel filtre devrelerine ve ekranlama işlemine gereksinim duyarlar.
• Anahtarlamalı güç kaynaklarının verimleri diğer güç kaynaklarına nazaran oldukça yüksektir.
• Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin çalışma frekansları şehir şebekesinden çok yüksektir (KHz). Bu nedenle tasarımlarında kullanılan bobin ve transformatör v.b gibi. devre elemanlarının fiziksel boyutları oldukça küçüktür.
• Doğrusal regülatörlerde; regülesiz giriş gerilimi daima çıkış geriliminden büyük olmalıdır. Anahtarlamalı regülatörlerde ise çıkış gerilimi girişten büyük yapılabilmektedir.
• Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinde birden fazla çıkış elde edilebilmekte ve çıkış geriliminin kutupları değiştirilebilmektedir.

Seri ve Paralel Bağlı Güç Kaynakları Riskler

Genel olarak, bir güç kaynağı seçerken, sistem gereksinimlerini desteklemek için uygun voltaj ve akım derecelendirmesini seçmek önemlidir. Tipik olarak, güç / akım oranını arttırmak ve ekstra gerilim veya akım sağlamak ve redundancy (yedekli çalışma) özelliği ile sistem güvenilirliğini artırmak için güç kaynakları paralel bağlanır. Güç kaynaklarının seri bağlantısı, daha yüksek çıkış voltajı gerektirdiğinde sistemin özel ihtiyaçlarına cevap verebilir.

Güç kaynakları teorik olarak seri veya paralel bağlanabilirler. Seri bağlı güç kaynaklarında gerilim toplanır ancak akımın en düşük akım verebilen güç kaynağının besleyebileceği akımı geçmemesi gerekir. Bu sebeple seri bağlı güç kaynaklarının aynı özelliklerde olması önerilir. Seri bağlı güç kaynaklarında resimde görülen her bir güç kaynağının çıkış terminalleri arasında ters polaritede bir ORing diyotunun eklenmesi gerekir. Bunun amacı -V voltajının, yük boyunca kısa devre gibi arıza koşullarında diğer güç kaynağına ani akım uygulanmasını önlemektir. Kısa devre sırasında, -V1 ve + V1, + V2 ve -V2 boyunca bağlanacak, bu da 2 güç kaynağı çıkışı ters polarite ile bağlanacağı ve güç kaynaklarına zarar vereceğine işaret eder.

İki güç kaynağı seri bağlandığında, en hızlı başlatma süresi (Power-on time) ve yükselme süresi olan güç kaynağı önce açıldığından monoton olmayan bir çıkış gerilimine neden olabilir. Şekilde gösterildiği gibi, seri bağlanmış 2 güç kaynağının kombine çıkış voltaj dalga formu bir basamak şeklinde sonuçlanır.

Paralel bağlı güç kaynakları ile çalışmanın amacı artırılmış çıkış akımı dolayısı ile daha fazla güç elde etmektir. 1 + 1 bağlantısı ile toplam çıkış akımı, her bir güç kaynağı gücünün maksimum 2x’i olacaktır. 2 güç kaynağı arasındaki yük paylaşımı da sağlanabilir. Birden fazla güç kaynağını paralel bağlarken, şekilde görüldüğü gibi mutlaka harici ORing diyotlarını kullanılması gerekir.

Güç kaynakları, çıkış akımını artırmak için paralel çalışma için birlikte bağlanabilir ancak sağlıklı ve risksiz bir çalışma sağlanabilmesi için her iki güç kaynağının çıkış voltajlarının birbirinden maksimum %2 fark olması gerekir. Paralel bağlı güç kaynakları tasarımında çıkış voltajı ayarı, maksimum yük akımının% 50’sinde veya her iki güç kaynağının da bağımsız olarak aynı akım seviyesine ayarlandığından emin olarak % 25 ve üzerinde bir yük akımında yapılmalıdır. (http://www.deltapsu.com/technical-articles/how-to-operate-parallel-and-series-connection)

Riskler ve Azaltıcı Önlemler

Paralel bağlı güç kaynaklarında eğer bir güç kaynağı arızalanırsa, toplam akım temin edilemediğinden arızalara / fonksiyonel ünitelerin arızalanmasına neden olabilir. Prensip olarak, toplam akımı sağlamak için birkaç güç kaynağı kullanmaktan ziyade, bir yüksek kapasiteli güç kaynağı kullanmak daha güvenilirdir. Paralel bağlı güç kaynaklarında anahtarlamı güç kaynaklarının yapısı gereği büyük bir riskte kaçak akım (leakage current) olasılığıdır. Kapalı devre kaçak akımları önlemek ve power-up boot aşamasında 2 farkı gerilim kaynağının birbiri üzerine akım akıtmasını önlemek amacıyla ORing diyotları kullanılmalıdır. http://powerblog.vicorpower.com/2013/09/what-is-active-oring/

Birbirine paralel bağlanan güç kaynaklarının çıkış gerilimlerinin %2’den fazla farklı olmaması mühendislik açısından önerilir. Halbuki ATX 12V standartlarında +12V için kabul edilen değer %5’dir, bu sebeple paralel bağlanacak ATX12V güç kaynaklarının ayrı ayrı yük üstünde gerilimlerinin ölçülmesi ve %2 toleransın içinde olup olmadığının test edilmesi gerekir. http://www.frei.de/assets/templates/frei/Dateien/Dateien/PDF/Stromversorgungen/en/Technische_Beschreibung_Parallelschaltung_ENGL.pdf

ATX 12V standardında paralel bağlantı için kullanılan Add2Psu denilen cihaz sadece bir röledir. 1. PSU’dan elektrik alındığında 2. PSU’u start-up yapar. Halbuki bu süreç elektronik mühendisliği açısından yanlıştır. Öncelikle 2. PSU’un açılması ve gerilimlerin oturarak 1’cinin sonra başlaması daha doğrudur. Ancak tüm özellikleri (akım, gerilim ve güç ) aynı olduğunda, güç kaynaklarını paralel olarak çalıştırılması daha az risklidir. (https://www.google.com/patents/US20120270417)

Birbirine paralel bağlanacak güç kaynaklarının yükleri eşit olmalıdır. Öyle ki sadece bağlantı kablolarının iç dirençleri bile gerilim düşümlerinin farklı olmasına neden olabilir. Tüm bağlantı kabloları aynı uzunlukta olmalı ve kesit alanı aynı olmalıdır. Uçlar güç kaynağında değil yükle birleşmelidir. Bu, simetriyi geliştirir.

Elektroniğin temel prensibi güç ile hızın ters orantılı olmasıdır. Daha güçlü cihazlar daha yavaş çalışırlar. Güçlü cihazlar daha geç response (cevap) verirler. Yani 1000Watt üstü bir güç kaynağının start up eğrisi örneğin 350Watt’a göre çok daha yavaş veya düzensiz olabilir. Bu sebeple paralel bağlanacak güç kaynakları ancak marka model ve gücü aynı olan güç kaynakları ki bunu bulduğunuzu düşünürsek bile ürettikleri gerilimlerin farkı %2’nin altında olduğunda güvenilirdir.

Güç kaynakları paralel ve seri operasyonlarda kullanıldığında, EMI, ani akım, kaçak akım, PARD (Periodic and Random Deviation, ripple and noise ) ve başlangıç zamanı (power-on start up) gibi parametreler, bağımsız bir güç kaynağına kıyasla farklı olacaktır. Sistem tasarımcısı, bu parametreleri bir sistem seviyesinde düşünmelidir.