Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку. Часть 1
В технической документации на микросхемы контроллеров импульсных преобразователей можно найти целые разделы, посвященные режиму «легкой» нагрузки (Light Load), при котором выходной ток значительно меньше номинального или вообще отсутствует (Low Output Current Conditions). Современные контроллеры при легкой нагрузке могут работать в режиме пропуска импульсов (Pulse Skipping Mode), пакетном режиме (Burst Mode), режиме прерывистой проводимости (Discontinuous Conduction Mode), режиме принудительной непрерывной проводимости (Forced Continuous Conduction Mode) и других менее распространенных режимах. Некоторые микросхемы поддерживают несколько режимов работы, что позволяет оптимизировать характеристики преобразователя в зависимости от конкретной ситуации.
Наличие многих вариантов показывает, что работа при легкой нагрузке имеет свои особенности. Пытаясь разобраться в этом вопросе с помощью специализированной литературы, можно заметить, что все авторы выделяют два режима работы силовой части, в зависимости от характера тока (или магнитного потока) силового дросселя (Рисунок 1). В безразрывном режиме (режим непрерывной проводимости, Continuous Conduction Mode – CCM) ток в дросселе на протяжении всего периода преобразования непрерывен, в отличие от разрывного режима (прерывистого, Discontinuous Conduction Mode – DCM), при котором ток в дросселе отсутствует в течение некоторого времени. И если с анализом электрических процессов в безразрывном режиме проблем не возникает – полученные результаты совпадают у авторов всех континентов, национальностей и вероисповеданий, – то с анализом безразрывного режима, наступающего при легкой нагрузке, все непросто. Авторы единодушны в том, что процессы в этом режиме гораздо сложнее, и поэтому либо не рассматривают этот вопрос, либо приводят сложные и малопонятные объяснения того, что происходит в силовой части схемы.
| Рисунок 1. | Магнитный поток дросселя при безразрывном и разрывном режимах работы. |
Так в чем же особенность легкой нагрузки? Ведь если при преобразовании 100% мощности проблем не возникает, то почему они появляются при преобразовании 1%? В реальном мире обычно так не бывает. Если сумка не рвется, когда в ней находится 10 кг содержимого, то она точно не порвется от груза весом 100 г. Аналогично, если автомобиль грузоподъемностью 3 т загрузить мешком весом 30 кг, то никаких проблем в поездке возникнуть не должно.
Но к импульсным преобразователям это не относится. Для этих схем процессы при преобразовании 1% мощности значительно отличаются от процессов при полной загрузке. И, возможно, этот вопрос не требовал бы столь подробного внимания, если бы в последнее время не появились приложения, требующие двунаправленного преобразования энергии, реализация которого невозможна без детального понимания особенностей режима легкой нагрузки. В числе таких приложений преобразователи переменного напряжения (AC/AC конвертеры), ведомые сетью инверторы для солнечных и ветряных электростанций, контроллеры питания устройств, работающих от аккумуляторов и другие.
В этой статье рассмотрены особенности работы импульсных преобразователей во всех возможных, с точки зрения направления передачи энергии, режимах:
- передачи – когда энергия передается с входа преобразователя на его выход,
- холостого хода – когда энергия не передается,
- рекуперации – когда энергия передается в обратном направлении – с выхода на вход.
Детальный анализ рассматриваемых процессов приведен в работах [1, 2]. При желании более фундаментально изучить этот вопрос, читатель может самостоятельно ознакомиться с предложенными материалами. Некоторые моменты, например, почему рассматривается обратноходовой преобразователь, также будут более понятны, если ознакомиться со статьями, уже опубликованными в журнале РадиоЛоцман [3 – 5].
Режим передачи электрической энергии
Рассмотрим работу идеализированного (собранного на элементах с идеальными характеристиками и отсутствием каких-либо потерь) обратноходового преобразователя. В самом распространенном режиме, назовем его режимом передачи, электрическая энергия передается в одном направлении: с входа преобразователя на его выход.
В этом режиме энергия из источника питания в нагрузку поступает порциями (импульсами) величиной WИМП. Пусть за секунду через преобразователь проходит NИМП порций энергии. Каждая порция преобразуется в два этапа (Рисунок 2). На первом этапе энергия величиной WИМП через замкнутый ключ S1 передается из электрического поля конденсатора С1 в магнитное поле дросселя L1, а на втором – из магнитного поля дросселя L1 через замкнутый ключ S2 в электрическое поле конденсатора С2.
| Рисунок 2. | Режим передачи. |
Нагрузка, подключенная к выходу преобразователя, потребляет энергию из конденсатора С2 со скоростью РН. Количество энергии в конденсаторе WC2 и напряжение на его обкладках связаны:
UВЫХ – напряжение на конденсаторе С2, равное выходному напряжению преобразователя;
СС2 – емкость конденсатора С2.
Большинство преобразователей стабилизируют выходное напряжение, поддерживая его, а, следовательно, и количество энергии в конденсаторе С2, постоянным. Очевидно, что для этого должно соблюдаться условие:
Если условие (2) не выполняется, тогда количество энергии в конденсаторе С2 будет либо постоянно увеличиваться (если РН < WИМПNИМП), либо уменьшаться (если РН > WИМПNИМП) до тех пор пока или не установится новый баланс мощности (вплоть до РН = WИМПNИМП = 0), или что-нибудь не сломается, ведь постоянное увеличение напряжения на конденсаторе рано или поздно приведет к пробою диэлектрика.
При легкой нагрузке мощность РН стремится к нулю, поэтому контроллеру для предотвращения увеличения напряжения на выходе необходимо уменьшить либо NИМП, либо WИМП, либо и то и другое сразу.
Контроллеру проще всего изменить NИМП. В этом случае при нормальной нагрузке количество импульсов соответствует частоте преобразования (NИМП = fПР), а при легкой нагрузке часть циклов пропускается (NИМП < fПР). Этот режим называют режимом пропуска импульсов. Однако если не уменьшить WИМП, на выходе может увеличиться уровень низкочастотных пульсаций (Рисунок 3), что в ряде случаев неприемлемо. Таким образом, при легкой нагрузке желательно также уменьшать и количество энергии WИМП, преобразуемое за один цикл.
| Рисунок 3. | Режим пропуска импульсов. |
Рассмотрим, что влияет на величину WИМП. Поступление энергии в дроссель L1 происходит при подключении его ключом S1 к конденсатору C1. Пусть в момент замыкания ключа S1 в дросселе после предыдущего цикла преобразования осталось некоторое количество энергии WНАЧ:
ФНАЧ– магнитный поток магнитопровода в момент замыкания ключа S1;
AL – конструктивный параметр магнитопровода, обычно используемый для расчета индуктивности L его обмоток (L = N 2 AL, где N – количество витков).
| Рисунок 4. | Параметры магнитного потока дросселя. |
Ключ S1 замыкается на некоторое время t1, на протяжении которого к обмотке W1 дросселя L1 приложено входное напряжение UВХ, под действием которого, согласно закону Фарадея, магнитный поток в дросселе изменяется на величину ΔФ (Рисунок 4):
где N1 – количество витков обмотки W1.
Таким образом, к моменту размыкания ключа S1 магнитный поток в дросселе достигнет величины ФКОН:
которому соответствует энергия WКОН:
Вычитая из (6) энергию дросселя в момент замыкания ключа S1 (3), получим количество энергии, переданное в дроссель из конденсатора C1:
где ФСР – среднее значение магнитного потока на интервале t1:
Из формулы (7) видно, что мощность, потребляемая нагрузкой, влияет на параметры магнитного потока в дросселе. Для того чтобы при легкой нагрузке уменьшить WИМП, необходимо уменьшать либо постоянную ФСР, либо переменную ΔF составляющие магнитного потока.
Величина ΔФ определяется (4). Из всех компонентов этой формулы контроллер может изменить только длительность t1, ведь практически во всех преобразователях ключ S1 управляемый. Однако от t1 зависит также и выходное напряжение, которое для обратноходового преобразователя определяется формулой:
N2 – количество витков обмотки W2;
t2 – длительность замкнутого состояния ключа S2.
Поэтому, для того чтобы выходное напряжение не изменилось, вместе с t1 необходимо изменять и t2 так, чтобы соотношение t1/t2 оставалось одинаковым (Рисунок 5). Но при использовании в качестве ключа S2 неуправляемого полупроводникового диода возможность управления длительностью t2 отсутствует. И пусть даже t2 уменьшается автоматически, и контроллер может обеспечить нужное соотношение t1/t2, все равно, уменьшать t1, даже вместе с t2, можно только до определенных пределов. Рано или поздно наступит такой момент, когда или t1, или t2 станут меньше чем время, необходимое для переключения ключей, ведь на практике они не идеальны.
| Рисунок 5. | Магнитный поток дросселя в разрывном режиме. |
Вот и получается, что в разрывном режиме, в котором используется этот метод регулирования, преобразователь в принципе не может стабилизировать напряжение без нагрузки, когда РН = 0, t1 = 0 и t2 = 0. Если контроллер дополнительно не поддерживает режим пропуска импульсов, то силовая часть должна обязательно иметь некоторую минимальную нагрузку, при которой еще можно как-то поддерживать выходное напряжение в требуемых пределах, иначе оно будет неуправляемым. Для этого на выходе обычно устанавливают создающий дополнительные потери резистор.
MikroTik QoS: ограничение скорости и приоритет трафика Simple Queue
В данной статье мы постараемся разобраться, как настроить на MikroTik QoS (англ. quality of service – качество обслуживания). Благодаря сервису QoS, в MikroTik можно задать ограничение скорости по IP адресу, подсети, протоколу. Кратковременно увеличить скорость (Burst) и назначить приоритет трафика. А также распределить трафик между пользователями (равномерно или в зависимости от загрузки канала). Как выполнить настройку этих параметров, мы подробно изучим на практических примерах.
Научиться настраивать MikroTik с нуля или систематизировать уже имеющиеся знания можно на углубленном курсе по администрированию MikroTik. Автор курса, сертифицированный тренер MikroTik Дмитрий Скоромнов, лично проверяет лабораторные работы и контролирует прогресс каждого своего студента. В три раза больше информации, чем в вендорской программе MTCNA, более 20 часов практики и доступ навсегда.
Возможности QoS в MikroTik
С помощью технологии QoS на MikroTik мы можем установить приоритет трафика для важных хостов и протоколов в локальной сети. Например, если два компьютера одновременно скачивают большой файл, то скорость между ними может поделиться поровну или один из компьютеров может забрать себе большую скорость. Благодаря данной технологии, можно указать приоритетный хост, что позволит ему гарантированно забирать большую часть скорости.
А также можно ограничить скорость. Обычно это используют для гостевых сетей, ограничивая максимальную скорость.
Кроме этого, QoS используется для трафика чувствительного к задержкам например, IP-телефония. Позволяя при активных загрузках сохранять качественную связь.
Типы очередей MikroTik
В MikroTik QoS создается с помощью очередей, что позволяет установить ограничение скорости по ip адресу, подсети, протоколу, порту и др. Можем ограничить P2P трафик или кратковременно увеличить скорость для пользователя (режим вспышка).
При превышении установленных значений мы можем ограничить скорость несколькими способами:
- Удалить все пакеты;
- Задержать пакеты и передавать их по возможности.
Различие limit-at и max-limit
Вдобавок, различают виды ограничения скорости — CIR и MIR.
- CIR — если все ресурсы заняты, то пропускная способность не должна упасть ниже заданного значения. На RouterOS этот параметр называется limit-at;
- MIR — если у нас есть ресурсы, то мы можем получить указанную скорость. На RouterOS это параметр max-limit.
Simple Queue vs Queue Tree
На MikroTik QoS реализовано несколькими способами:
- Simple Queue – простые очереди;
- Queue Tree – тип очереди, в котором правила иерархически организованы.
Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки. Основные отличия данных типов приводятся в таблице ниже.
| Simple Queue | Queue Tree |
|---|---|
| Важен порядок записей | Порядок записей не важен |
| Одним правилом можно настроить входящий и исходящий трафик | Одним правилом можно настроить только одно направление |
| Есть вкладка Traffic | Графическое отображение трафика отсутствует |
| Возможно использование маркированного трафика, но не обязательно | Обязательно указание маркировки трафика |
| В случаи конфликта с Queue Tree, имеет приоритет. | Возможен конфликт правил с Queue Simple |
Расположение логических блоков очереди на Traffic Flow:
Из рисунка схемы прохождения трафика мы видим, что важна последовательность правил, так как сначала обрабатывается Queue Tree, а затем Simple Queue. Из этого следует что:
Simple Queue может влиять на правила Queue Tree.
Чтобы не запутаться в правилах очередей, желательно использовать какой-то один инструмент из двух имеющихся.
Настройка QoS Simple Queue на Микротик
Прежде чем узнать, как настроить QoS MikroTik, используя Simple Queue, вспомним их расположение на схеме прохождения трафика:
Общие принципы работы, которые используют данные правила:
- Можно использовать маркировку пакетов;
- Поддерживаются родительские очереди;
- Порядок очередей играет роль:
- Частные случаи необходимо ставить выше;
- Общие случаи ставить ниже;
QoS MikroTik: ограничение скорости всем соединениям
Давайте настроим на MikroTik ограничение скорости для всех хостов локальной сети при помощи Simple Queue. Для этого откроем пункт главного меню “Queues”, фирменной утилиты Winbox и перейдем:
- Queues => Simple Queues => “+”.
Нас интересуют два параметра, которые задают направление потока:
- Target – откуда идет трафик (интерфейс, IP-адрес, адрес сети).
- Dst – куда (интерфейс, IP-адрес, адрес сети).
Важно! Для параметра Target имеется в виду источник внутри локальной сети. Если ему присвоить значение WAN (внешний интерфейс), то правило будет работать неправильно;
Создадим родительское правило для всех соединений, которое ограничит скорость до 50 Мбит/с:
Где Dst.: ether1 – внешний интерфейс (WAN).
Таким образом, мы настроили QoS MikroTik, ограничив ширину канала для всех исходящих подключений до 50 Мбит/с.
Ограничение скорости подсети
Добавим правило для основной подсети. Оно будет схожим с предыдущим, отличие в том, что оно будет дочерним.
Max Limit у дочерней очереди должен быть меньше или равен Max Limit родительской.
Для удобства просмотра иерархии добавим отображение колонки «Parent» и сделаем по ней сортировку.
Следующей настройкой ограничим скорость для гостевой подсети Wi-Fi:
В результате, мы установили роутеру MikroTik ограничение скорости для подсети.
Ограничение скорости по IP
Аналогичным образом можно настроить QoS MikroTik на ограничение скорости по IP адресам. Для этого в поле «Target» нужно указать нужны IP-адрес. Правило будет выглядеть следующим образом:
На вкладке «Advanced», укажем родительское правило:
Последним шагом, расположим созданную запись под родительской:
Так на MikroTik можно установить ограничение скорости по IP-адресу.
Режим Вспышка (Burst)
Режим Burst нужен для того, чтобы на какой-то промежуток времени разрешить превысить значение Max Limit. Обычно это используется, когда мы хотим превысить ограничения гостевой сети на небольшой временной отрезок. Для настройки режима «вспышка» используются следующие параметры:
- Max Limit — максимальная пропускная способность;
- Burst Limit — скорость которая будет доступна в режиме «вспышка»;
- Burst Threshold — среднее значение скорости ниже которого режим «вспышка» разрешен. Его значение должно быть больше чем limit-at и меньше чем Max Limit;
- Burst Time — период времени в секундах, за который рассчитывается среднее значение скорости. Есть ошибочное мнение, что это время которое будет длиться данный режим, но это не так. Иными словами данный параметр — это среднее значение параметров Burst Limit, Max Limit и тем как мы реально используем скорость;
- Limit At — гарантированное значение скорости.
Модернизируем наше правило для гостевой сети:
QoS MikroTik равномерное распределение ширины канала
Чтобы избежать ситуации, когда один пользователь занимает весь канал, попробуем настроить QoS MikroTik таким образом, чтобы канал между пользователями делился равномерно. Это позволяет сделать тип очереди PCQ (Per Connection Queuing).
Модернизируем правило для основной подсети, изменив значение Queue Type во вкладке «Advanced»:
При таком типе очереди канал будет равномерно распределяться между хостами сети.
QoS MikroTik: настраиваем приоритет трафика
Давайте разберемся, что же такое приоритет трафика? Для решения каких практических задач он используется и как настроить его на MikroTik.
Принцип работы можно представить так: правило с более высоким приоритетом первым достигнет значения Max Limit с большей вероятностью, чем правило с низким приоритетом. Например, есть локальная сеть и гостевая сеть. Если у локальной сети назначен более высокий приоритет трафика и устройства начали загрузку с разных сетей, то клиенты из локальной сети заберут на себя ширину канала с большей долей вероятности.
Необходимо учитывать, что приоритет:
- Не влияет на режим «Вспышка»;
- Значение приоритета задается цифрами и может иметь значение от 1 до 8, при этом 1 — самый высокий приоритет, 8 — самый низкий приоритет. Надо иметь в виду, что приоритета достаточно на одно значение ниже;
- Сравнение приоритетов выполняется в дочерних очередях одного родителя;
- Приоритет не работает на родительских очередях.
Помимо приоритета, есть параметр Limit At. Им задают скорость, которая будет гарантированно предоставлена.
Limit-at используют для случаев конкуренции в приоритетах, чтобы избежать ситуацию, когда сеть с наивысшим приоритетом забирает на себя весь трафик.
Если гарантированная скорость не используется, то она может быть занята другими правилами.
Сумма всех Limit-at должна быть меньше либо равна Max Limit.
Выполним настройку на MikroTik приоритет трафика для основной сети, при этом установим гостевой сети гарантированный канал связи равный 5 Мбит/с.
Для этого откроем свойства «bridge1-main», вкладку «Advanced» и установим значение «Priority» на единицу меньше, чем у гостевой сети:
А для гостевой сети укажем гарантированный канал:
Приоритет трафика для sip телефонии
Как говорилось ранее sip или IP телефония очень чувствительна к задержкам, поэтому обычно ей назначают высокий приоритет.
Давайте создадим простое правило QoS при помощи Simple Queue, где трафик направленный из основной сети до sip сервера, будет приоритетнее остального.
Где Dst.: — это подсеть провайдера sip.
Откроем вкладку «Advanced»:
Так как для Simple Queue важен порядок правил, то следующим шагом выполним сортировку по номеру и поставим наше правило первым:
На этом настройка QoS MikroTik по приоритету трафика закончена.
Еще раз хочу обратить внимание на правильные значения Limit At и Max Limit:
Max Limit дочерней очереди меньше, либо равен Max Limit родительской очереди.
Сумма ВСЕХ Limit At дочерних очередей меньше, либо равна Max Limit родительской очереди.
Заключение
Из данной статьи мы узнали, как настроить QoS MikroTik при помощи Simple Queue. Посмотрели примеры настройки ограничения скорости, познакомились с режимом «Вспышка» (Burst), а также настроили приоритет для определенного вида трафика.
Надеюсь, данная статья была вам полезна.
Научиться настраивать MikroTik с нуля или систематизировать уже имеющиеся знания можно на углубленном курсе по администрированию MikroTik. Автор курса, сертифицированный тренер MikroTik Дмитрий Скоромнов, лично проверяет лабораторные работы и контролирует прогресс каждого своего студента. В три раза больше информации, чем в вендорской программе MTCNA, более 20 часов практики и доступ навсегда.
Режим burst что это
Настройка BIOS Setup />Процессор />Burst
Опция Burst позволяет задействовать режим Burst (режим пакетной передачи данных) для записи данных в кэш-память процессора второго уровня.
Enabled (или On) – использовать режим;
Disabled (или Off) – не использовать.
Опция также может иметь другие названия:
Burst Write
Примечание 1. Burst – это режим пакетной передачи данных (чтения/записи). В режиме пакетной передачи данных адрес выдается только для пакета данных (а не для каждой считываемой или записываемой ячейки), а затем подряд выполняется серия циклов чтения/записи.
Примечание 2. Кэш процессора – это быстродействующая память, используемая процессором для временного хранения кода наиболее часто выполняемых программ и данных, необходимой центральному процессору компьютера. Использование кэш-памяти позволяет уменьшить среднее время доступа к оперативной памяти.
Burst Mode: делайте десятки снимков за считанные секунды!
На абсолютно всех айфонах установлена камера (2, 3 или 5 мегапикселей, в зависимости от модели). К сожалению, необходимо признать, что её стандартный функционал не отличается большим разнообразием возможностей, кроме, разве что, функции “Tap to Focus” (фокусировка по нажатию соответствующей области на экране). И в этом контектсе, очень интересной выглядит программа Burst Mode, которая позволяет делать до 200 (!) снимков за считанные секунды.
Программа Burst Mode обладает простым и понятным интерфейсом. Нажимая на значок «фотокамеры» мы активируем режим фотографирования.
После фотографирования получившиеся снимки можно удалить или сохранить.
Имеются также настройки, в которых можно указать количество снимков, которое нам нужно сделать (5-200), таймер отсрочки начала фотографирования (0-10 секунд) и скорость фотографирования.