Utroligt

Det her lyder jo næsten helt utroligt. Kan algoritmen også bruges den anden vej fx til 12v DC -> 230v AC med et meget lille tab?

Skal vi være imponerede?

Hvad kan eksisterende ensrettere præstere? 50% eller 99.1%?

Re: Skal vi være imponerede?

Artiklen er lidt tåget, men det er ETH's pressemeddelelse også.
Nærlæser man den, ser man at det faktisk drejer sig om indgangsensretteren plus PFC (power factor correction). Fotoet antyder at man bruger en hulens masse MOSFETs i parallel således at det er en aktiv ensretter.
Selve strømforsyningsdelen har ETH slet ikke beskæftiget sig med endnu.
Jeg tvivler på at vi kommer til at se konceptet brugt i den nærmeste fremtid, det ser det alt for dyrt ud til.

Bent.

Re: Skal vi være imponerede?

Hvad kan eksisterende ensrettere præstere? 50% eller 99.1%?

Det kommer primært an på hvor lang tid ensretterne har til at overføre effekt.

Hvis dioderne føder et "standard" kondensator-filter leder de kun når netspændingen overstiger kondensatorspændingen - d.v.s. et par millisekunder; hvor man så også får en rimeligt stor spidsstrøm.

I almindelige strømforsyninger med PFC booster man spændingen hele vejen over en halvperiode medens man tilstræber at strømmen er proportional med spændingen. Det giver "helt af sig selv" en langt højere effektivitet fordi peak-strømmene er måske 1/5 - 1/10 af hvad man får hvis man bare havde en filterkondensator.

At komme over 95% virkningsgrad på strømforsyninger over 1 kW er ikke helt så imponerende som det ville være at gøre det på < 200 W enheder - som i kraft af deres mængde processerer langt mere effekt!! Men man skal jo starte et sted - 99.2 er uhørt godt.

Over 1 kW er folk villige til at betale for høj effektivitet fordi Cost of Ownership over 30 år er vigtig for applikationen, typisk tele. PC'ere, som udgør volumen omkring de 500 W er noget sørgeligt bras med virningsgrader på omkring 85% i *bedste* fald.

Re: Skal vi være imponerede?

Hvad kan eksisterende ensrettere præstere? 50% eller 99.1%?

En normal billig PC strømforsyning ligger i bedste fald omkring 85 - 90% fra input til output. Her er der så en ekstra DC -> DC konvertering med i regnskabet.

Martin

Re: Re: Skal vi være imponerede?

Det her lyder jo næsten helt utroligt. Kan algoritmen også bruges den anden vej fx til 12v DC -> 230v AC med et meget lille tab

Den kritiske del af ensretningen er på sekundær siden, hvor spændingen er lavest. Det skyldes, at spændingen over ensretteren har svært ved at komme ned under 0.5V-0.7V. Schottky Diodes, er dem der kommer længst ned, og er dem der bruges i de fleste switch-mode strømforsyninger. Deres tab, kan være helt ned til 0.15V, men vil ved større strømme, som regel være mindst 0.4V - 0.5V. Antages, at vi har en strømforsyning, der leverer 5V, og der er 0.5V tab over dioderne, så giver disse alene anledning til et tab på 10%. Dertil kommer alle andre tab, og effektiviteten kommer nemt ned i retning af 85%. Desto højere spænding du ønsker, desto mindre betyder tabet i ensretteren.

Ønsker du at gå fra 12V DC til 220V, er der ikke noget større tab i ensretteren, da du føder det med DC, og ensretningen er på 220V siden. Der, hvor tabet er, er ved switch-transistoren, som hakker de 12V i stykker, så de kan føde switch-mode transformeren. Dertil er naturligvis lidt tab i switch-mode trafoen, meddens der er meget lidt tab i ensretterne på primærsiden. Antages, at tabet er 0.7V ud af 220V, er det under 0.5%. Det kan godt bringes ned til ca. 0.5V ud af 220V.

Hvis man har opnået en effektivitet på 99.2 procent, ved en spænding på 5V, er det meget godt klaret. Er det derimod, ved 250V, er det ikke nogen større bedrift. Selv brokoblede ensrettere, kan laves med så lavt spændingstab som ned til 0.5V og lavere.

Re: Re: Re: Skal vi være imponerede?

Sådan ser dyret ud:
http://www.ethlife.ethz.ch/arc...ires

Artiklen er her:
http://www.ethlife.ethz.ch/arc...ndex

Det ser ud til, at det er 48V på sekundærsiden der er tale om, så det ser ud til at kunne klares med normale schottkey dioder, hvis der er nok.

Re: Re: Re: Re: Skal vi være imponerede?

Det ser ud til, at det er 48V på sekundærsiden der er tale om, så det ser ud til at kunne klares med normale schottkey dioder, hvis der er nok.

På en PC, vil sandsynligvis være større tab, da spændingerne er mindre - typisk 5V og 12V. Derfor er sandsynligt med over 5 gange større tab.

Med FET transistorer, kan teoretisk opnås lavere tab end i schottkey dioder, og typisk vil man så sætte transistorerne over Schottkey dioderne. FET transistorerne kan ikke styres hurtigt nok, og derfor sættes normalt Schottkey dioder på, til at tage strømmen, inden man får styrespændingen på transistorerne. Derved fås det normale tab i Schottkey dioderne i starten, men hurtigt efter, falder det til tabet i FET transistorerne, og det meste strøm går igennem FET transistorerne. Ved lave on-spændinger, vil omtrent ikke gå nogen strøm i Schottkey dioderne, andet end i starten, og når transistorerne afbrydes. Grunden til, at man normalt ikke gør det, er at FET transistorer er dyre, hvis du skal have dem med så lav on modstand, at du kommer ned under schottkey diodernes spændingstab ved de store strømme på sekundær siden, og typisk får du brug for rigtigt mange dyre FET transistorer, for at opnå lav on-modstand der kan konkurere med schottkey diodernes tab. Har du derimod brug for små strømme, er det en mulighed, som også er økonomisk. Ved små strømme, er intet problem at opnå omtrent 100% effektivitet i en ensretter med MOSFET transistorer.

Re: Re: Re: Re: Re: Skal vi være imponerede?

Målet er i første omgang at fremstille strømforsyninger til computere, men på længere sigt håber forskerne også at kunne fremstille spændingsdelere, som kan integreres direkte i diverse halvledere, som for eksempel hukommelseschip, mikroprocessorer og SoC (System on a Chip).

Idag er implementeret spændingsdelere i chips, men disse anvender normalt ikke store induktioner, men kondensatorpumper. Idéen er, at to ens kondensatorer, kan bruges som spændingsdeler, hvis du bytter dem skiftevis ved høj frekvens. Det giver dog en lille ribbel på udgangsspændingen, som kan give anledning til et tab, specielt ved større strømme. Spændingsdelere med induktioner, eller med både kondensatorer og induktioner, har derfor højere effektivitet.

B&O

Hvad blev der af den B&O financierende ultra-lav-stand-by PSU fra 8-10 år siden fra DTU? Jeg husker ikke hvor få mikrowatt den brugte i stand-by, men det var nul og nix.

Re: B&O

Hvad blev der af den B&O financierende ultra-lav-stand-by PSU fra 8-10 år siden fra DTU? Jeg husker ikke hvor få mikrowatt den brugte i stand-by, men det var nul og nix.

Så vidt jeg kan gennemskue så har On Semi lavet to IC'er der følger det princip Nils Nielsen udviklede i hans Ph.D.

De hedder NCP1215 og NCP1351.

http://www.onsemi.com/PowerSol...215A

http://www.onsemi.com/PowerSol...1351

Om der er andre der har udviklet videre på den skal jeg ikke kunne sige.

Re: Re: B&O

Jeg tvivler på, at det har været ovenstående princip som er brugt. Metoden med at anvende en optokobler, uden at dutycycle modulere den, bruger masser af energi - typisk flere mW, og er langtfra god til en effektiv standby strømforsyning. Skal endeligt bruges en optocoubler til at detektere spændingen, vil man dutycycle modulere den, så den kun tændes i et kort blink, f.eks. nogle hundred gange i sekundet. Derved kan dens forbrug komme ned i mikrowatt. Man kan også lave styringen "omvendt", så en tilstrækkelig høj spænding slukker lysdioden, og så sikre at spændingen er tilstrækkelig høj det meste af tiden, så lysdioden kun er tændt i få procent eller promille af tiden, ved lav strøm.

Jeg har her en switch-mode strømforsyning, der transformerer spændingen fra 9V til ca. 1kV, og den har et forbrug på langt under 1mW på 9V siden (primær siden). Det på trods af, at den leverer hele 1kV ud.

Til fjernsyn og radioprodukter, er det simpleste og mindst forbrugende oftest at simpelt slukke strømmen. Normalt ønskes, at kunne tænde den med fjernbetjeningen, men dette kan løses, ved at flytte IR-detektoren til primær siden, og forsyne den via et faseforskydningsled. Switch-mode strømforsyningen slukkes så, når TV'et er slukket. Et faseforskydningsled, kan laves meget effektivt, og og det er intet problem at komme ned på standby til størrelser i microwatt. Dog bruger de fleste IR-modtagere lidt over 1mW, og normalt vil forbruget være på ca. 1-5mW. Ved 5mW skulle faseforsyningsledet også kunne drive en lille low-power LED. Ønskes under 1mW, kan typisk kun et segment, eller ur, på et LCD panel være tændt. Standby ned på få tusinddele af en milliwatt kan opnås.

For switch-mode strømforsyninger kan også opnås et meget lavt standby forbrug. Anvendes en optocoupler, kræves dog at den er slukket det meste af tiden ved små strømme, og ikke som her står tændt. Så er muligt, at opnå standby forsyninger, der ved høj effektivitet, kan levere energier ned til få nanowatt.

Det er muligt, at de to chips fra onsemiconductor kan tunes til lavere forbrug, ved at ændre på måden sensningen sker på sekundærsiden.

Ses på strømforbruget for chips'ene, er det ca. 1mA ved 18V, og op til 2mA, altså ca. 20mW. Dette vil jeg ikke kalde et lavt forbrug. Det er over 100 gange større, end min 1kV transformer i standby, alene til at drive chippen.

Re: Re: Re: B&O

Nils Nielsen fortjener lidt retfærdighed. Jeg har downloaded hans rapport. Han har målt standby forbruget, uden belastning, på 220V siden til 5mW. Som det ses, er det langt under chippens forbrug fra on-semiconductor. Det er muligt, at gøre det bedre end Nils Nielsen, men her skal man huske, at Nils Nielsen gjorde det for 10 år siden, og det blev gjort med standard komponenter. Ikke en specialchip, som on-semiconductors. Med en specialchip, er muligt at opnå langt lavere forbrug.
Selv med nutidens microcontrolere, vil forbruget nemt kunne skæres ned.

Nils Nielsens design, blev gjort for 10 år siden, og var med standard komponenter som CMOS udgaven af 555'eren, og det er jo langt fra nutidens defacto standard for hvad der kan opnås.

En virksomhed som on-semiconductor, kunne have opnået et langt lavere forbrug.

Forbruget kan idag, nemt gøres ca. 100 til 1000 gange lavere.

Re: Re: Re: Re: B&O

Jeg kan se, at Nils Nielsen har brugt samme metode med optocoubleren på sekundærsiden, og at han forsyner den med 100uA. Som nævnt, er det ikke det som giver bedste udnyttelse af energien, men i betragtning af kredsene dengang brugte mere strøm, så betyder det kun et par milliwatt for forbruget.

Skal forbruget være lavt, vil sensedelen skulle ned i forbrug, f.eks. ved at "invertere" den, så lysdioderne i optocoubleren normalt er slukket ved små strømme. Dertil, skal bruges en anden spændingssensor, f.eks. med transistorer, hvis der ikke kan findes noget bedre. Med de gamle NPN og PNP transistorer, kan nemt kommes ned på få mikroampere, eller nanoampere, og opnås en god spændingsreference.

På primærsiden, vil jeg idag nok have anvendt en moderne microcontroler. Korrekt programmeret, kan disse anvende sleep mode, og har mulighed for at tænde/slukke diverse dele, således et lavt forbrug opnås. En typisk processor, har et forbrug på en microwatt.

Ofte er muligt at anvende tænd/sluk principper. Selv på en referencediode er det muligt. Der er lavet eksempler med shunt-regulatoren, som Nils Nielsen bruger, hvor den får et langt lavere forbrug, ved at have en stor lyt over sig, og sættes til at "svinge". På det tidspunkt, hvor den er "on" kortslutter den lytten, og bringer dens referencespænding til at være korrekt, samtidigt med at strømmen der skal til for at referencedioden virker også opnås. Herefter, sættes den så off, i et godt stykke tid, og sættes så on igen. På den måde, kan forbruget komme under en microampere med god stor lyt, og samtidigt opnås at referencedioden får den rette strøm i den tid den aktiveres. Em lavenergi reference kan også gøres med NPN og PNP transistorer, som i gamle dage, i stedet for at bruge de "moderne" komponenter. Mange, der laver switch-mode trafoer, foretrækker gode NPN og PNP transistorer, fremfor nymodens chip, og andet skidt, der ofte har et større forbrug, er er dårligere med hensyn til sikkerheden... Der er endog eksempler på, at en chip har fyldt mere, end transistorløsningerne.

Re: Re: Re: Re: Re: B&O

Jeg kan se, at Nils Nielsen har brugt samme metode med optocoubleren på sekundærsiden, og at han forsyner den med 100uA. Som nævnt, er det ikke det som giver bedste udnyttelse af energien, men i betragtning af kredsene dengang brugte mere strøm, så betyder det kun et par milliwatt for forbruget.

Skal forbruget være lavt, vil sensedelen skulle ned i forbrug, f.eks. ved at "invertere" den, så lysdioderne i optocoubleren normalt er slukket ved små strømme. Dertil, skal bruges en anden spændingssensor, f.eks. med transistorer, hvis der ikke kan findes noget bedre. Med de gamle NPN og PNP transistorer, kan nemt kommes ned på få mikroampere, eller nanoampere, og opnås en god spændingsreference.

På primærsiden, vil jeg idag nok have anvendt en moderne microcontroler. Korrekt programmeret, kan disse anvende sleep mode, og har mulighed for at tænde/slukke diverse dele, således et lavt forbrug opnås. En typisk processor, har et forbrug på en microwatt.

Ofte er muligt at anvende tænd/sluk principper. Selv på en referencediode er det muligt. Der er lavet eksempler med shunt-regulatoren, som Nils Nielsen bruger, hvor den får et langt lavere forbrug, ved at have en stor lyt over sig, og sættes til at "svinge". På det tidspunkt, hvor den er "on" kortslutter den lytten, og bringer dens referencespænding til at være korrekt, samtidigt med at strømmen der skal til for at referencedioden virker også opnås. Herefter, sættes den så off, i et godt stykke tid, og sættes så on igen. På den måde, kan forbruget komme under en microampere med god stor lyt, og samtidigt opnås at referencedioden får den rette strøm i den tid den aktiveres. Em lavenergi reference kan også gøres med NPN og PNP transistorer, som i gamle dage, i stedet for at bruge de "moderne" komponenter. Mange, der laver switch-mode trafoer, foretrækker gode NPN og PNP transistorer, fremfor nymodens chip, og andet skidt, der ofte har et større forbrug, er er dårligere med hensyn til sikkerheden... Der er endog eksempler på, at en chip har fyldt mere, end transistorløsningerne.

Hvis jeg ikke husker forkert så undersøgte han også en løsning hvor han brugte aux viklingen på primær siden for at få spændingen på sekundær siden. På den måde undgik han helt en opto-coupler. Dog havde han problemmer med at få aux viklingen til at tracke godt nok med udgangsspændingen og derfor gik han over til at bruge en optocoupler igen.

Re: Re: Re: Re: Re: Re: B&O

Det er også muligt at bruge en optocoupler, men den skal bare helst forbindes "modsat", således den slukker ved korrekt spænding, og lyser hvis den er for lav. I såfald reduceres forbruget til brøkdele for optocoupleren ved lavt forbrug. Måles den dutycycle, ses at den er tændt det meste af tiden, som den er forbundet i konstruktionen, og kun slukkes kort.

Re: Re: Skal vi være imponerede?

Hvad kan eksisterende ensrettere præstere? 50% eller 99.1%?

En normal billig PC strømforsyning ligger i bedste fald omkring 85 - 90% fra input til output. Her er der så en ekstra DC -> DC konvertering med i regnskabet.

Martin

Nja.. De pcstrømforsyninger jeg har set ligget i området 80 - 85%.

Der er efterfølgende en DC/DC konvertering på bundkortet der giver i området 1 volt 150 Amp

Benny

Re: Re: Re: Skal vi være imponerede?

Her er der så en ekstra DC -> DC konvertering med i regnskabet.

Og spændingen er lavere (12V og 5V) i forhold til 48V som de 99.2% af opnået for. Da strømmen, er det som giver tabet, må forventes 4 gange større tab ved 12V og samme strøm, og omkring 10 gange større tab ved 5V, og samme strøm.

Det bliver imidlertid langt værre, da spændingen nu skal ned på ca. 1V til processoren. Skal leveres 100W i 1V, afsættes nemt 40W i motherboardets ensretter, der ikke har stor køling.

Efterhånden som vi nærmer os atomscala, så bliver processorens spændinger mindre, og strømmene større. En fremtidig transistor behøver kun 50mV. Imidlertid, fylder den 25 gange mindre end de nuværende, og skal vi fylde samme skive, kræves derfor strømme der er 25 gange større. En processor, der idag bruger 20A, vil i fremtiden bruge 500A. Og spændingen, bliver ved 50mV. Nu begynder ensretteren at betyde en smule.

Hvordan løses det så? Jo, eneste praktiske mulighed, er at lave spændingen på chippen. Dette sker ved, at sætte elektronikken i serie, så hvis den indeholder 25 CPU kerner, så sættes de i serie, og får en spænding på 25 * 50mV = 1.25V. Hvordan sikres så, at alle CPU'erne bruger samme strøm? Enten brændes den overskydende energi af, eller også sættes CPU'ens taktfrekvens op. Man måler spændingen over CPU'en, og er den for lav, sættes CPU'en i wait, således den bruger mindre strøm og spændingen stiger - og er den for høj, køres ved maksimum hastighed, og strømmen stiger, så den er større end for de andre CPU'er, hvorved spændingen over CPU'en falder. Klokfrekvensen justeres med andre ord, således at spændingerne på knudepunkterne mellem CPU'erne er korrekt. Det er så op til softwaren, at kunne bruge de enkelte CPU'er, trods man ikke kan forvente hastigheden er synkron med hinanden.

En anden mulighed, er at have logik, som "kopieres" så der frit kan vælges hvilken forsyning strømmen tages fra, og dataene sendes så til den del, der har energi i overskud. Og så endeligt muligheden med at "kortslutte" og afbrænde den overskydende energi.

Sættes transistorerne i serie, eller CPU'erne i serie, så er muligt at opnå større spændinger end på nutidens chips, og mindre strøm. Det betyder mindre effekt går tabt, i både forsyning på chippen, og i ensretteren på motherboarded.