Fırat DEVECİ

SMPS Güç Kaynağı İncelemesi: UNI-T UTP1310

  • 2 yıl önce, Fırat DEVECİ tarafından yazılmıştır.
  • 3 Yorum
  • Genel

Daha önceki yazımda UNI-T firmasına ait 30V 5A çıkış değerlerine sahip UTP3315TF-L model numaralı lineer güç kaynağını incelemiştik. 4 sene önce aldığım ilgili güç kaynağı ile bir çok deney gerçekleştirdim ve bir lineer güç kaynağından beklenildiği üzere performans kaybı olmaksızın hâlâ sorunsuz olarak kullanabiliyorum. Her ne kadar ilgili güç kaynağını sorunsuzca kullansam da uygulamaların çoğunda, birden fazla ve daha güçlü güç kaynağı kullanma ihtiyacım artmasından dolayı araştırmalarım sonucunda UNI-T’nin SMPS güç kaynaklarından, 32.0V 10.0A 320W UTP1310 modelini edindim.

Neden SMPS Güç Kaynağı?
Daha önceki yazımda, SMPS ve lineer güç kaynaklarının kıyaslamasını yaparak, hangisinin ne tür uygulama için uygun olduğuna değinmiştik. SMPS güç kaynakları, yüksek güç oranları, hafif ve verimli çalışmaları nedeniyle son dönemde oldukça popülerleşmiştir. Bu popülerliğin getirdiği etkiyle şu an satış mağazalarında 15V’tan 400V’a kadar masa üstü, fiyat/performans ürünlerini bulmak ne denli kolaylaşmış olsa da, sağlıklı ürünü bulmak ise o denli zorlaşmıştır. Özellikle test anında uzun süre çalışacak olan yüksek güçlü uygulamalarda, SMPS güç kaynaklarını rahatlıkla kullanabilecek olsak da, piyasada çok fazla SMPS güç kaynağı alternatifi olduğundan; daha önce denenmiş, referanslı ürün edinmenin önemi gittikçe artmaktadır. Tüm bu sebeplerden dolayı UNI-T, daha önce verdiği güvenle birlikte tekrar tercih nedenim oldu.

Bir güç kaynağı tasarımcısı olarak, UNI-T UTP1310’da sevdiğim özellikler aşağıdaki gibi oldu:
– Çıkış gerilim ve akım değerlerinin oldukça tutarlı olması.
– Fan kontrolü sayesinde, cihaz ancak ısınınca fanının devreye girmesi.
– Elektriksel ripple seviyesinin kabul edilebilir düzeyde olması.
– Güç tepkilerinin iyi olması.
– Cihaz hafifliği, kaliteli buton ve encoder switch kullanımı.
– Gerilim/akım hafızasının bulunması.
– Çıkış soketlerinin 10A gibi bir değerde ısınmaması.

UNI-T UTP1310’un sevmediğim özellikleri ise aşağıdaki gibi oldu:
– Çok dar bir gerilim aralığında çalışması: 220V seçim için 200~240V arası.
– Tam yükte yüksek çalışma sıcaklığının düşük değerde olması: 40C.
– Cihazın 10A yük altında, çıkış soğutucusunun olağandan daha sıcak çalışması; yazının ilerleyen bölümlerinde değinilecektir.
– Gate trafosunun kullanılması.

UTP1310’a Geri Mühendislik Uygulayalım…
Bir güç kaynağı inclenirken merak edilen ilk konu, piyasada oldukça yer etmiş bunun gibi ürünlerin topolojileri olacaktır. 300W gibi bir güç değerinde, maliyet etkin ve geniş aralıkta çalışma yapabilmek için, “izolasyonlu buck tipi” çalışan topolojilerin kullanımı uygundur; forward, çift transistör forward, half bridge ve full bridge converter’lar gibi. UTP1310 iç yapısı incelendiğinde de half bridge converter yapısı karşımıza çıkmaktadır. İlgili devreyi bölüm bölüm incelediğimizde aşağıdaki sonuçlara ulaşırız:

a) Giriş Bölümü
UTP1310’nın giriş katı aşağıda görülebilir.Cihazın giriş bölümüne bakıldığında, buraya şebeke gerilimi ile temaslı devrelerin konulduğu görülebilir. Sol kısımda TL494 analog kontrolcü ve çevresel pasif komponentler, bunların üzerinde giriş mosfetlerini süren gate trafosu ve en sağda ise devrenin dijital kontrol bölümü ve fan için ayrı bir besleme katı görülebilir. Cihazın giriş kapasitelerinin incelendiğinde kaliteli Japon markalarından olmadığı görülmektedir. Devrenin geri mühendislik kullanılarak çıkarılan giriş devre şeması aşağıdaki gibi olmaktadır.Giriş devre şeması incelendiğinde cihazın Half Bridge Converter topolojisinde olduğu görülmektedir. Girişte 3.15A bir sigorta ile cihazın korunduğu gözükse de devrede herhangi bir varistör bulunmadığını dolayısı ile cihazın yüksek gerilim zıplamalarına karşın korumasız olduğu görülmektedir. Bir adet EMC katından sonra, devre köprü diyot ve klasik 110/220Vac giriş anahtarı ile devam etmektedir. Giriş kapasitelerinin ani akım çekip zarar görmemesi için iki adet 5R NTC devrede bulunmaktadır. AC/DC dönüşüm için köprü diyottan sonra iki adet seri 680uF/200V=340uF kapasite kullanılmıştır. Cihaz giriş kapasitesinin daha önce burada anlattığımıza göre uygun seçildiği (1W~1uF) görülmektedir. Son olarak devre half bridge converter şeklinde devam ederek sonlanmaktadır. Devrenin tüm beslemesi ise DK112 adlı entegre ile yaklaşık olarak 15W olarak tasarlanmıştır.

b) Çıkış Bölümü
UTP1310’nın giriş katı aşağıda görülebilir.Giriş bölümüne göre çıkış bölümü çok sade şekildedir. Half Bridge Converter topolojisi gereği çıkış LC filtresi için kullanılan bobini, çıkış kapasitelerini, snubber yapılarını ve çıkış yükleme dirençlerini yukarıda görebilirsiniz. Çıkış katının şemasını ise aşağıda görebilirsiniz.Yukarıdaki devre yapısı incelendiğinde, çıkış diyotlarının MBR20200 ile ortak katot olarak kullanıldığı görülür. Sonrasında bir çok filtre kapasitesi cihaz çıkışında görülebilir. Cihazın tüm feedback kontrolü IRFP250 mosfeti üzerinden yapılmaktadır. İncelemeler sonucu dijital kontrolcü devrenin ground’u ile, cihazın pozitif çıkışının ortaklanarak, high side’a kalan mosfetin kolaylıkla kontrolü sağlanmıştır. Cihazda bulunan işlemci, mosfet’in gate’ini kontrol eden devre yapısına referans gerilim üreterek, çıkıştaki gerilim ve akım regülasyonunun sadece gate gerilimi ile kontrol edilebilmesini sağlamıştır. Bu kontrol, yukarıda görülebilecek, akıllıca tasarlanmış feedback mekanizması ile analog olarak gerçekleştirilmiştir. Böylelikle cihazın çıkış gerilim, akım tepkilerinin üst düzeyde olması sağlanmıştır.

Yalnız bu kontrol yapısında çıkış IRFP250 mosfeti üzerinde sürekli olarak 2~2.5V civarında gerilim kalmaktadır. Bu da 10A gibi çıkış değerlerinde ilgili mosfetin 20~25W güç kaybı ile ısınmasına yol açmaktadır. Dolayısı ile gerilim ve akım kontrol kısmı her ne kadar basit tutulmuşsa da çıkışta gereksiz bir kayba yol açmıştır.

c) Dijital/Analog Kontrol Bölümü
Cihazın tüm gerilim ve akım kontrol girişleri 2 adet encoder pot ve güç kaynağı içerisinde kullanılan TSSOP20 paketinde 72MHz Cortex-M0 çekirdeğe sahip MM32F0010 adlı MCU ile birlikte sağlanmıştır. İşlemci gerilim ve akım değerlerini ölçerek, aşağıda görülebilecek 2 adet PWM çıktısını, 2 katlı RC filtre (turuncu alanlar) ile bir DAC çıktısı olarak kullanarak, çıkış gerilim ve akım kontrolünü CC/CV olarak sağlamıştır.Bunun yanında cihazın çıkışı direkt olarak kesilmek istendiğinde, kırmızı ile gösterilen kısımda, referans gerilimi (ki burada çıkış mosfeti gate sinyali olmaktadır) sıfıra çekilerek, çıkış geriliminin sıfıra düşmesi sağlanmıştır. aşağıda ise UNI-T UTP1310’nin genel tüm şeması görülebilir (üzerine tıklarsanız büyük halini görebilirsiniz).

Elektriksel Testler ve Sinyallerin Anlattıkları…
UNI-T UTP1310 güç kaynağının çıkış gerilimi 30.00V ayarlı ve akımı 10.0A limitli iken, daha önce burada tasarlamış olduğum elektronik yük ile 0-10A arası yükleme ile elde ettiğim sonucu aşağıdaki grafikte görebilirsiniz.Yine aynı şekilde 15.0V ve 5.0A ayarlı iken yapılan testi de aşağıda görebilirsiniz. Her iki grafikte de kırmızı gerilim/akım şeklini, yeşil ise güç/akım değerini göstermektedir.Her iki test sonucunda da görülebileceği üzere cihaz, istenen akım ve gerilim limitlerinde oldukça sıkı şekilde çalışabilmektedir; bu da cihazı akü şarj ya da led driver testlerinde kullanılmayı oldukça uygun kılar.

Cihazın giriş katındaki mosfetlerini sürmek için, Çinli bir çok güç kaynağında da karşımıza çıkan, gate trafosu yöntemi kullanıldığını yazımızın başında söylemiştik. Günümüzde izolasyonlu mosfet sürücüler çok düşük ücrete bulunabiliyorken, gate ya da pulse trafolarının özel uygulamalar hariç artık gereksiz olduğuna inanmaktayım. Çok kısa değinmek gerekirse; gate ya da pulse trafoları yüksek dV/dt dayanımına sahip olmaları için primer/sekonder kapasiteleri ve kaçak endüktansları oldukça düşük olmalıdırlar, %1 ya da %99 gibi duty değerlerinde çalışırken sorunludurlar ve bunun yanında mosfet gibi yarıiletkenlerde açılma (ton) ya da kapanma (toff) sürelerini ayarlamak oldukça zordur. Cihazın gate sinyallerini incelediğimizde aşağıdaki sonuca ulaşırız.Gate sinyalinin 0-12V arasında gezindiğini ve mosfet iletime geçiş (ton) süresinin ne kadar uzun olduğunu yukarıda görebilirsiniz. Buna rağmen gate sinyali kalitesinin ortalamanın üzerinde, kabul edilebilir düzeyde olduğunu söylemek gerekir.

Giriş mosfet sinyallerine baktığımızda ise klasik half bridge (full bridge’de de benzeri gözükecektir) anahtar sinyallerini görebilirsiniz.Giriş anahtarlarında herhangi bir snubber kullanılmadığı için yukarıda görülen sinyalin mosfetin kapanma ve iletime geçme anlarında fazla salınıma girildiği gözükmektedir. Bu sinyal şekli ile cihazın EMC testinden geçtiği benim nazarımda şüphe içermektedir. Cihazda modifiye yapmak isteyen arkadaşlar, her iki giriş mosfetine de snubber ekleyerek ilgili sinyalleri bastırabilir. Unutulmamalıdır ki bu sinyallerin asıl kaynağı trafonun kaçak endüktansıdır.

Çıkış diyodu üzerindeki gerilime baktığımızda ise aşağıdaki ilginç sonuca ulaşırız.Buradaki sinyale baktığımızda, şebeke 225Vac iken diyot maksimum geriliminin 230V civarında olduğu göze çarpar. Şemalardan da fark edileceği gibi çıkış diyodu olarak MBR20200’ün kullanıldığı gözükmektedir. Bu diyot 20A akım ve 200V dayanım gerilimine sahiptir. Sinyalin peak değeri 230V olsa da ilgili peak gerilim değerinin taşıdığı enerji diyodu bozmaya yetmediği görülmektedir. Her ne kadar cihaz çalışırken sorun çıkarmasa da bu kısmı beğenmediğimi belirtmek isterim. İlgili gerilimi azaltmak için giriş mosfet gate sürmelerini yavaşlatabilir ya da daha fazla diyot üstü snubber katmanı ekleyebilirsiniz.

Yukarıda paylaştığımız, mosfet ve diyot gerilimi incelendiğinde; trafo sarım oranının Np/Ns=2.5 olduğu görülecektir.

Son olarak ise giriş kapasitesinin tam çıkış gücünde (320W) dalgalanmasına bakalım.Sinyal incelendiğinde maksimum gerilimin 316V, dalgalanma geriliminin ise 44V olduğu, dolayısı ile dalgalanma oranının %14 civarında olduğu görülür. Bu tarz uygulamalar için bu dalgalanmanın %20’ye kadar kabul edilebilir olduğu düşünüldüğünde giriş kapasitesinin doğru seçildiği (1uF/W) görülmektedir.

Sonuç Olarak…
Bir güç elektroniği tasarımcısı olarak bir çok ünlü markanın gerek ölçü aleti gerekse güç kaynağı gibi bir çok cihazlarını kullanma fırsatı edindim. Bir analog tasarımcı için elzem olan iki unsur; osiloskop ve güç kaynağı, maalesef öğrenci bütçeleri için uygun değil ve güç elektroniği alanında ilerlemek isteyen kişiler için bu büyük bir engel teşkil etmektedir. İşte bu noktada UNI-T gibi kalbur üstü Çinli üreticilerin, öğrenci ve tasarımcılara oldukça faydası dokunduğuna inanıyorum.

Konu özelinde ise UNI-T markası, benim nazarımda, her ne kadar Fluke kadar güvenilir ölçü aletleri üretemese de UTP1310 gibi ürünleri ile güç kaynağı tarafında ortalamanın üzerinde kaldığı söylenebilir. Özellikle bütçe dostu ürünleri ile analog tasarım dünyasında ilerlemek isteyen kişiler, öğrenci arkadaşlar için oldukça faydalı ürünler çıkardığına inandığım UNI-T’nin UTP1310 ürünü bir çok alanda kullanılabilir.

Elbette burada bir ürün tavsiyesi vermediğimi, ürün konusundaki problemlerden sorumlu olmadığımı ve sadece deneyimlerimi paylaştığımı da belirtmek isterim.

Tüm soru, görüş ve önerilerinizi yorum bölümünden bana iletebilirsiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

  1. İbrahim MERT dedi ki:

    Merhaba öncelikle paylaşımınız için teşekkürler. Gerçekten güzel bir paylaşım olmuş. Sizleri kısa bir süre önce keşfettim. Güç elektroniği konularından daha önce yapmış olduğunuz birkaç paylaşımı daha okumuştum. Okulda öğrenemediğimiz konularıda yeri geldikçe açıklamaya çalışmanızı takdir ediyorum. Okulda güç elektroniği üzerine 2 ders aldım. Okulda çoğu konuyu öğrendiğimi zannderken işin içerisine girdiğimde ise neredeyse temel kavramlar dışında öğrenmem gereken çok fazla bilgi olduğunu gördüm:( Belki daha önce çokça sorulmuştur ama güç elektroniği alanında yeni başlayacaklar için bir yol haritası niteliğinde tavsiyelerinizin olduğu bir paylaşımın çok faydalı olacağına inanıyorum. Tekrardan teşekkürler:)

  2. Mükremin HASAR dedi ki:

    Merhaba, sayfanızı 2 ay önce keşfettim. Şu ana kadar elektronik alanında sizin kadar detaya inen görmedim. Bu sebeple bilgi birikimlerinize güvenim oldu. Bildiğiniz üzere piyasa güç elektroniği ile çok haşır neşir ve ben güç elektroniğini detaylarına kadar öğrenmek istiyorum. Bu konuda önereceğiniz kitap var mıdır?

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      Switching Power Supply Design – Abraham I. Pressman
      Switching Power Supplies A to Z – Sanjaya Maniktala
      Power Electronics Handbook – Muhammad H. Rashid

Bir Yorum Yazın

error: Kopyalama Yasaktır, Eğer Bilgi İçeriğini Almak İstiyorsanız İletişim Bölümünden Yazara Ulaşın!