תכנון של ספק כוח המיועד לפעולה רציפה בשיא ההספק, למרות שהמתח הממוצע נמוך בהרבה, משפיע על הרכיבים ויכול להקשות על הישארות בתוך מגבלות המקום והמשקל של המערכת. תכנון מערכת אספקת החשמל למתח הממוצע יכול להיות חלופה טובה יותר.
ברוב היישומים והשימושים, גודל ספק הכוח מתוכנן כאילו העומס פועל באופן רצוף אך קיימים שימושים רבים בהם העומס שואב את המתח מהמקור בפולסים קצרים. העומס דולק למשך זמן קצר ולאחר מכן נכבה, וכן הלאה באופן מחזורי. אם העומס הוא 3 קילווואט והוא פועל במשך 1 מילי-שנייה, ולאחר מכן מפסיק למשך 5 מילי-שניות, אספקת המתח מתוכננת ל- 3 קילווואט למרות שהמתח הממוצע במקרה זה הוא רק 500 וואט.
לשימושים בהם יש חשיבות רבה למקום ולמשקל, ובהם העומס פועל רק למשך שהות קצרה וחוזר על עצמו, ניתן להתאים את מערכת אספקת הכוח באופן שתספק את המתח הממוצע על ידי שימוש בממיר מגביל זרם וקבל, כדי לספק את הצרכים של שיא המתח. כשמתכננים מערכת מתח כזו, יש לקחת בחשבון את מגבלות הזרם, מגבלות המתח ויציבות ספק הכוח, וכן את קביעת גודל הקבל בצורה נכונה, כדי לשמור שנפילת המתח בזמן העומס תישאר בטווח המותר. שימושים כמו מגברי פולס, אורות LED מהבהבים ו- re-closures יכולים להרוויח ממיצוע מתח כדי להפחית עלויות, מקום ומשקל במערכת.
אבל ככל שרמות המתח של המערכת עולות, המתכננים מתקשים יותר ויותר לתכנן ספק כוח שיישאר בתוך מגבלות המקום והמשקל בסוג זה של מערכות. כאשר מתכננים ספק כוח לפעולה רציפה בשיא המתח אפילו אם המתח הממוצע נמוך בהרבה, יש לשקול שימוש במעגלי ורכיבי תמיכה כמו קבלי מעקף, רכיבי קירור (היטסינק), ומאווררים למערכת. רכיבי תמיכה אלה תופסים יותר שטח במערכת ומקשים עוד יותר על הישארות במגבלות המקום והמשקל. תכנון מערכת אספקת החשמל למתח הממוצע יכול להיות חלופה טובה יותר.
מערכות רבות של זרם ישר (DC) הבנויות עם ממירי DC-DC מתוכננות לווסת את המתח עד לרמת הספק מקסימלית ויש להן דירוג זרם ומתח מקסימלי. אם העומס מנסה למשוך מספק הכוח זרם גבוה מהזרם הנומינלי, הספק יעבור בדרך כלל למצב הגבלת זרם ויביא להפחתת המתח היוצא של ספק הכוח או לכיבוי ואתחול מחדש של ספק הכוח. מגבלת הזרם נקבעת בדרך כלל לרמה גבוהה במקצת מהזרם הנומינלי המקסימלי, כך שבווסת המתח של הממיר, ניתן להגיע לאספקת מתח מלאה. לממיר בעל ערך נומינלי של 500 וואט ב- 48 VDC יהיה זרם נומינלי רציף של 500 וואט/ 48VDC לכל היותר, כלומר 10.4A. מאפיין הגבלת הזרם יכול להתחיל ב- 13A. מאפיין הגבלת הזרם מתוכנן בדרך כלל לנפילות עומס רק במקומות בהם הממיר יתקל במגבלות זרם לעתים נדירות מאד. אם הממיר אינו מתוכנן לעבור להגבלת זרם במצב פעולה רגיל, ניתן להכניס רכיבים לתוך הממיר ולקצר את חיי מערכת אספקת החשמל.
איור 1. תצורת מיצוע המתח
אם העומס מושך זרם ברמה גבוהה מהזרם המקסימלי אך פחות ממגבלת הזרם בווסת המתח, הדבר עלול לגרום לעומס יתר על ספק הכוח ולהביא לתקלה במערכת. כך שממיר של 500 וואט במתח של 48 VDC עם מגבלת זרם שנקבעה ל- 13A יוכל להיות בעומס יותר עד 624 וואט לפני שיגיע למגבלת הזרם. התצורה האופיינית לספק בעל מיצוע מתח מתוארת ב- איור 1. גודל ממיר ה- DC-DC מתוכנן עבור המתח הממוצע וגודל הקבל מתוכנן לספק את שיא המתח תוך שמירה על ממירי ה- POL או על מתח העומס בטווחי המפרט. U1 יכול להיות מעגל פשוט שממתג רמות גבוהות של קיבול במהלך התחלת הממיר.
הקיבול הגבוה יכול לגרום לסיבוכים רבים במערכת אספקת ה- DC. בזמן הדלקת המערכת, הקבל הגדול שבמקרים רבים יכול להיות בסדרי גודל של אלפי מיקרופאראד, יכול למשוך את אספקת ה- DC לתוך מגבלות הזרם. ניתן לתכנן מערכות רבות של אספקת מתח עם מעגל חיצוני להגבלת המתח, אם תכנון אספקת המתח לא כולל כניסה למגבלת זרם כמצב פעולה רגיל. המעגל החיצוני להגבלת המתח ישמור על אספקת המתח בטווח של זרם נומינלי מקסימלי ומקסימום מתח נומינלי. בדרך כלל, מעגלים מסוג זה מופעלים מהמתח היוצא של ממיר ה- DC. בעת ההפעלה, המתח היוצא שמפעיל את המעגל יהיה 0 והמעגל לא יהיה פעיל, כך שייתכנו אירועים של יתרת זרם. המתכנן יכול לטעון מראש את הקבל או להוסיף נגדים בטור שיגבילו את הזרם בעת ההפעלה. ניתן לקצר את הנגדים המחוברים בטור לאחר הפעלת המעגל החיצוני להגבלת הזרם. מעגלי טעינה מראש ומעגלי הגבלת זרם יכולים להיות מורכבים ותופסים מקום יקר על הלוח. המעגלים החיצוניים להגבלת הזרם צריכים גם להיות מספיק מהירים כדי לתפוס אירוע של יתרת זרם. דבר זה עלול להיות מאתגר מכיוון של אפילו מספר קטן של מחזורי מיתוג יכולים כבר לגרום לאירוע של יתרת זרם.
כשספק ה- DC מופעל בהצלחה על ידי טעינה בטוחה של הקבל, מערכת אספקת החשמל צריכה להיות יציבה. באמצעות כמה מייצבי DC-DC, הקבל הגדול יכול לשבש את לולאת בקרת המתח ולהביא לתקלה באספקת החשמל או לתקלה במערכת. המתכנן יכול להתגבר על בעיית יציבות אפשרית זו אם יש לו גישה ללולאת הבקרה של מערכת אספקת החשמל. ישנן מערכות אספקת DC שנותנות למשתמש גישה ללולאת הבקרה ומאפשרות לו לתכנן את מערכות אספקת החשמל כך שיפעלו עם קבל גדול. אם משנים את לולאת הבקרה , יש לקחת בחשבון בתכנון את תנאי ההפעלה וכן את היציבות במהלך ההפעלה.
הרכיבים שסביב המודול יכולים להפוך למסובכים מאד אם ממיר המתח לא מתוכנן לפעול עם קבל גדול ביציאה שלו. ישנם מודולים של ממירי זרם ישר, DC converter modules (DCMs) שמתוכננים לפעול עם כמות גדולה של קבלים ביציאה שלהם. DCM מתוכננים באופן בסיסי לפעול בתוך טווח הזרם והמתח הנומינליים המקסימליים שלהם גם כשהם מובילים ערכי קיבול גבוהים כמו 10KuF ויותר אם ממתגים פנימה את הקיבול הנוסף במהלך ההפעלה. ל- DCM יש מאפיין הגבלת זרם בטיחותי בו ניתן להשתמש במתח הנומינלי של ספק הכוח. מאפיין הגבלת הזרם יכול לפעול בבטיחות בווסת המתח של המודול מכיוון שהוא יכול לספק יותר מאשר המתח הנומינלי שלו למשכי זמן קצרים. בעת ההפעלה, ה- DCM יעלה את המתח על הקבל תוך הקפדה על הישארות בתחום התפעול הבטוח שלו. לאחר שהקבל נטען, לולאת הבקרה של הממיר מתוכננת להיות יציבה במהלך התפעול הרגיל. אם השימוש מיועד למיצוע המתח, פרץ המתח הראשוני לתוך ה- POL במורד הזרם יהיה גדול יותר מיכולת הממיר.
הזרם הנכנס ל- POL יועבר ממקור המתח בעל הפוטנציאל הגבוה ביותר. בשל ה- ESR של הקבל, היציאה מהממיר יכולה להיות בעלת הפוטנציאל הגבוה ביותר וממנה יגיע פרץ הזרם הראשוני עד שהזרם היוצא ייפול בגלל מגבלות הזרם. DMC מיועד לטפל בפרץ זרם עד שמגבלות הזרם הפנימיות שלו משתלטות. לאחר נפילת המתח ב- DMC, ביקוש הזרם יסופק על ידי הקבל. ניתן לקבוע את גודל הקבל באופן שיספק זרם גבוה בהרבה ממודול ממיר ה- DC. לאחר סיום דרישת ה- POL או זרם העומס, ממיר ה- DC צריך לטעון מחדש את הקבל לערך המתח ההתחלתי שלו, כדי שיהיה מוכן לדרישת הזרם הבאה.
תצורות של מיצוע מתח יעילות מאד כאשר ממיר ה- POL או העומס יכול לשאת טווח רחב של מתחים נכנסים. זה מה שקורה בדרך כלל במקרים בהם העומס הוא מכשיר וויסות אחר או מספר מכשירי וויסות. ניתן להציג את הקיבול הנדרש ליישום באמצעות משוואה 1 שבאיור 1.
כאשר:
C = ערך הקבל בפאראד
P = ההספק אותו מספק הקבל בוואט
T1 – T2 = משך דרישת העומס בשניות
V1 – V2 = נפילת המתח על פני הקבל במהלך חלוקת החשמל
כאשר ה- POL או העומס דורש מתח, הקבל יספק חלק גדול יותר מזרם העומס מכיוון שממיר ה- DC יעבור למגבלת זרם ויזין את הקבל ואת העומס. כאשר הקבל יספק את זרם ה- POL או העומס, המתח עליו יתחיל ליפול. יש לקבוע את מידות הקבל באופן שהמתח על פני הקבל יישאר בתוך טווח המתח הנכנס של ממיר ה- POL.
כדי להקטין ככל האפשר את הקיבול הנדרש, המתכנן יכול לטעון את הקבל למתח הכניסה המקסימלי של ה- POL, ולאפשר למשוך מתח במשך אספקת החשמל כדי להפעיל את הקבל במתח הכניסה המינימלי של ה- POL.
איור 2. תוצאות מעבדה לתצורת מיצוע מתח. C1 הוא מתח היציאה של ה- DCM, C2 הוא זרם היציאה של ה- DCM, ו- C4 הוא זרם הכניסה של POL.
באיור 2 ניתן לראות תרשים אוסצילוסקופ ותרשים בלוקים של מערכת אספקת חשמל המתוכננת למיצוע המתח. בדוגמא זו, היציאה של מודול ממיר ה- DC נקבעה ל- 50 VDC ומודול הממיר נקבע לערך נומינלי של 320 וואט של הספק רציף. ממירי ה- POL שבמורד הזרם מספקים בסה”כ 20A ב- 48 VDC או 960 וואט של הספק עומס. תדירות העומס היא 1Hz ומחזור הפעילות הוא 7% כך שהעומס פועל ב- 70ms. כאשר ה- POL מתחילים לספק מתח לעומס הם מושכים אנרגיה מקבל ה- 100KuF ומה- DCM. ה- DCM יעבור למצב מגבלת זרם להגנה והקבל יספק את רוב המתח כאשר ה- DCM יישאר בתוך מגבלות הזרם. לאחר סיום דרישת העומס, ה- DCM יטען מחדש את הקבל לערך המתח ההתחלתי שלו.
הציוד שהוגדר עבור מיצוע המתח הנו יעיל מאד להקטנת הממדים, המשקל והעלות של מערכות אספקת חשמל בהן העומס דולק למשך זמן קצר. ניתן להקטין את רכיבי התמיכה אם מודול ממיר ה- DC מתוכנן לפעול בבטחה בתוך מגבלות הזרם שלו, ובתוך הערכים המקסימליים של מגבלות המתח. התאמת ממדי מערכת אספקת החשמל למתח הממוצע עוזרת גם לבטל את מעגלי ורכיבי התמיכה ואת החומרה הדרושה למערכות אספקת חשמל המותאמות לאספקה רצופה של מתח שיא. חסכונות אלה מסייעים גם למתכננן להישאר בתוך מגבלות המערכת לגבי מקום ומשקל.
