Poradnik Połączenia zasilaczy - szeregowo? równolegle?

[H1M4W4R1]

Wstęp

Ten artykuł jest skierowany do użytkowników, którzy chcieliby połączyć kilka zasilaczy razem, aczkolwiek zastanawiają się jak to zrobić bezpiecznie.

Autor nie ponosi odpowiedzialności za wszelkie usterki i szkody wynikające ze stosowania zamieszczonych tu treści.

Fotografia 1: Zdjęcie poglądowe zasilacza typu SMPS (Flickr, Marco Verch, CC BY 2.0)

Rodzaje połączeń

Zasilacze możemy łączyć szeregowo i równolegle – i zanim ktokolwiek powie, że to niebezpieczne: jest to bezpieczne o ile zachowa się pewne środki ostrożności.

Wyróżniamy trzy główne rodzaje połączeń:

1. PP (Parallel Power) – równoległe połączenie w celu zwiększenia mocy wyjściowej
2. PR (Parallel Redundancy) – równoległe połączenie w celu zabezpieczenia układu w przypadku uszkodzenia jednego (lub większej ilości) zasilaczy
3. SC (Series Connection) – połączenie szeregowe w celu zwiększenia napięcia wyjściowego.

Parallel Power

Rysunek 2: połączenie równoległe zasilaczy

W teorii możemy wykorzystać ten rodzaj połączenia z każdym zasilaczem, aczkolwiek rezultaty mogą nie być satysfakcjonujące. Niektórzy dostawcy oznaczają zasilacze jako kompatybilne z PP, aczkolwiek tak zdecydowanie nie jest (pozdrawiamy przyjaciół z Chin).

Problemem w tym trybie jest to, by prąd między zasilaczami był dzielony jak najrówniej – co innymi słowy przekłada się na identyczną impedancję i napięcie wyjściowe obu zasilaczy w danej chwili. Znając nasz świat możesz łatwo się domyślić, że nie jest to proste zadanie – wpływ na te czynniki ma np. tempratura czy wiek zasilacza. Dodatkowo w czasie rozruchu i przeciążenia zasilacze mogą zachowywać się nieprzewidywalnie.

Niezbalansowany pobór prądu może spowodować przedwczesne starzenie się niektórych zasilaczy w układzie, a co za tym idzie zmniejszyć niezawodność systemu.

Producenci wprowadzili wiele różnych technik, by zapobiec takim efektom np.

1. LSB (Load Share Bus) – zasilacze komunikują się między sobą (dostępne najczęściej w najbardziej zaawansowanych modelach) – np. NPS2400
2. SRA (Specific Regulation Algorithms) – tanie rozwiązanie, które pozwala na dopasowanie parametrów wyjściowych na bazie algorytmów, co przekłada się na naturalny podział prądu między jednostkami – np. NPST501
3. ARM (Active Redundancy Module) – zewnętrzny moduł redundancyjny pozwala na zbalansowanie impedancji wyjściowej zasilaczy – każdy zasilacz powinien móc być zastosowany z tym rozwiązaniem, aczkolwiek najlepiej to przetestować

Zasady implementacji połączenia PP:

1. Uwzględnij dostępną moc systemu (nie powinieneś sumować mocy wyjściowej zasilaczy, ale sumę pomnożyć przez 0.75-0.8 – nie ma idealnych połączeń).
2. Używaj identycznych modeli zasilaczy – najlepiej z tej samej serii fabrycznej
3. Używaj tylko zasilaczy z trybem Constant Current (inne mogą powodować problemy)
4. Niektóre zasilacze posiadają opcję CC, która jest wyłączona. Zalecane jest jej włączenie.
5. Ogranicz ilość zasilaczy w układzie (najlepiej < 4)
6. Umieść zasilacze możliwie blisko siebie (w takich samych warunkach wilgotności / temperatury, by zredukować wpływ otoczenia)
7. Przed połączeniem ustaw napięcie wyjściowe zasilaczy – podłącz je do obciążenia w wysokości ok. 10% nominalnego. Napięcia powinny być ustawione z dokładnością +/- 20mV.
8. Użyj takich samych przewodów (długość i grubość) między każdą jednostką i obciążeniem.
9. Przewody powinny skupiać się przy obciążeniu, a nie przy zasilaczach – to poprawia symetrię obciążenia.
10. NIE STOSUJ TOPOLOGII DAISY-CHAIN!
11. Po 30 minutach działania zweryfikuj obciążenie prądowe i dostosuj napięcia, by je zbalansować.

Parallel Redundancy

Rysunek 3: połączenie redundancyjne zasilaczy z diodami

Rysunek 4: połączenie redundancyjne zasilaczy z modułem ORing

Redundancja jest istotna w przypadku urządzeń krytycznych dla danej architektury. Zabezpiecza ona przed niezapowiedzianą awarią modułu, który może spowodować zagrożenie – zarówno dla ludzi jak i dla maszyn. Dzięki tej technice połączenia maksymalny prąd jest dostępny nawet po wystąpieniu awarii zasilacza, co zapobiega ewentualnym wyłączeniom sprzętu – co za tym idzie należy wykorzystać w tym celu kilka zasilaczy.

Oprócz tych zasilaczy należy dodać też zasilacze "nadmiarowe" (redundancyjne) – przynajmniej jeden. Im więcej ich użyjemy tym większe będzie nasze zabezpieczenie przed awariami.

By osiągnąć niezawodny system redundancyjny wyprowadzenia zasilaczy powinny być odseparowane modułem ORing (redundancji) lub odpowiednimi obwodami (diodami / tranzystorami MOSFET). Jeżeli jeden z zasilaczy ulegnie uszkodzeniu i zacznie stanowić zwarcie, to obwody te zabezpieczą przed przepływem prądu do uszkodzonego zasilacza, a co za tym idzie spadkowi napięcia i maksymalnej mocy układu.

Zasady implementacji połączenia "PR":

1. Ustal ile potrzebujesz nadmiarowych zasilaczy, by osiągnąć zadowalający poziom redundancji.
2. Uwzględnij, iż w danym momencie tylko jeden zasilacz może przyjąć na siebie całe obciążenie (jest to istotne w przypadku modułów Oring, które posiadają określone limity natężenia i napięcia).
3. Zawsze używaj identycznych zasilaczy (najlepiej z tej samej serii).
4. Postaraj się zbalansować napięcie wyjściowe zasilaczy do +/- 20mV – wydłuży to żywotność systemu.
5. Umieść wszystkie zasilacze w tych samych warunkach środowiskowych (temperatura, wilgotność etc.)
6. Użyj identycznych przewodów (długość / grubość), które skupiają się przy obciążeniu – to poprawia symetrię obciążenia.

Series Connection

Rysunek 5: Połączenie szeregowe zasilaczy

Niektóre zastosowania jak np. moduły EuroRack mogą wymagać zastosowania połączenia szeregowego zasilaczy. Takie połączenie pozwala uzyskać napięcie, bądź moc niedostępną dla pojedynczego modułu.

Warto mieć na uwadze:

• Największy dostępny prąd jest równy najmniejszemu prądowi nominalnemu zasilacza w układzie
• Maksymalna moc jest efektem iloczynu sumy napięć i najmniejszego prądu nominalnego zasilaczy.
• Jednostki o różnej impedancji / źródłach zasilania / napięciach wyjściowych / mocy mogą być połączone szeregowo.

Zasady implementacji połączenia SC:

1. Postaraj się użyć identycznych jednostek (najlepiej z tego samego źródła)
2. Zwróć uwagę na niezbędne dostępne natężenie prądu (by zapobiec przeciążeniu zasilaczy)
3. Niektóre jednostki mogą mieć inny czas rozruchu. By zapobiec odwrotnej polaryzacji należy zastosować diody zabezpieczające (maksymalne napięcie diody powinno być większe niż suma napięć zasilaczy, a maksymalny prąd impulsowy diody powinien być większy niż największe nominalne natężenie zasilacza w układzie).
4. Uważaj, gdy pracujesz z napięciami >60V, które mogą być niebezpieczne dla człowieka.
5. Dopasuj przewody do parametrów układu i połącz je w topologię DAISY-CHAIN w stronę obciążenia.
6. Unikaj używania zbyt dużej ilości zasilaczy (aka. > 4).

Inne uwagi

• Warto sprawdzić, czy zasilacze są odizolowane (czy uziemienie i linia neutralna nie są połączone z masą napięcia DC) – czasami zdarzają się zasilacze, które nie spełniają tych wymogów (mimo, iż naruszają tym przepisy bezpieczeństwa) - jeżeli nie są, to nie należy ich stosować w żadnym z powyższych połączeń!
• O ile to możliwe unikaj konfiguracji PP, gdyż potrafi ona być bardzo nieprzewidywalna.
• Jeżeli tworzysz systemy, których działanie jest istotne zastosuj układ redundancyjny.

[n1k0]

PP (Parallel Power) – równoległe połączenie w celu zwiększenia mocy wyjściowej

Masz na myśli to że możemy wycisnąć większy prąd bo będzie on  z dwóch źródeł leciał i zamiast 10A z jednego zasilacza ciągniemy po 10A z każdego i razem leci nam 20A?

[ethanak]

Teoretycznie tak... 

[H1M4W4R1]

13 minut temu, n1k0 napisał:

Masz na myśli to że możemy wycisnąć większy prąd bo będzie on  z dwóch źródeł leciał i zamiast 10A z jednego zasilacza ciągniemy po 10A z każdego i razem leci nam 20A?

Tylko teoretycznie, w praktyce możesz wycisnąć tak do 16A i to przy dobrym zbalansowaniu zasilaczy...

[n1k0]

1 minutę temu, H1M4W4R1 napisał:

Tylko teoretycznie, w praktyce możesz wycisnąć tak do 16A i to przy dobrym zbalansowaniu zasilaczy...

Znaczy się wiadomo, wydajność, straty itp. Chodziło mi o idealny przykład z idealnymi elementami

[H1M4W4R1]

2 minuty temu, n1k0 napisał:

Chodziło mi o idealny przykład z idealnymi elementami

Nadal będzie ciężko, ale m/w tak O to w tym połączeniu chodzi.

[kroszkanorber]

@H1M4W4R1 witam.

I tak można poprostu połączyć równolegle zasilacze impulsowe? Myślałem że są sterowane kontrolerem i może dojść do konfliktu między nimi. Czy sterowniki poradzą sobie z regulacją obciążenia nie wiedząc o dodatkowych źródłach zasilania? I jeszcze jedno. Czy podobne rozwiązania są stosowane w laptopie? Tam też jest wiele przetwornic...

Nie znam się na tym. Tylko pytam. Może bezzasadnie...

Pozdrawiam

Edytowano Grudzień 8, 2023 przez kroszkanorber

[H1M4W4R1]

3 godziny temu, kroszkanorber napisał:

tak można poprostu połączyć równolegle zasilacze impulsowe? Myślałem że są sterowane kontrolerem i może dojść do konfliktu między nimi. Czy sterowniki poradzą sobie z regulacją obciążenia nie wiedząc o dodatkowych źródłach zasilania? I jeszcze jedno. Czy podobne rozwiązania są stosowane w laptopie? Tam też jest wiele przetwornic...

Zasilacze impulsowe można podłączyć równolegle, ale przeczytaj ile tam jest warunków Ogólnie jeżeli możesz tego uniknąć (nawet wysokim kosztem) to się tego unika - zasilacze muszą być naprawdę dobrej jakości o bardzo niskim szumie i bardzo dobrze dopasowane... W obecnych czasach chińskiej jakości łatwiej wygrać na loterii niż tego dokonać bez większych problemów.

3 godziny temu, kroszkanorber napisał:

I jeszcze jedno. Czy podobne rozwiązania są stosowane w laptopie? Tam też jest wiele przetwornic...

Przetwornice jak najbardziej można łączyć równolegle. Źródła napięciowe najlepiej łączyć zgodnie z rys. 3 uwzględniając, by miały jak najbardziej dopasowane parametry (w szczególności małą rozbieżność napięcia wyjściowego).

[kroszkanorber]

@H1M4W4R1 w takim razie łatwiej po mojemu przerobić zasilacz i zostawić sterownik. Mam na myśli transformator i komponenty za nim do wymiany. Sterownik dostosować do własnych potrzeb zmieniając wartości elementów podających napięcie odniesienia i pewnie też będzie działać. Ale to chyba na inny temat.

Pozdrawiam