千瓦級AC/DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用解析

1kW 級別的AC輸入設(shè)備電源是工業(yè)、電信、交通和醫(yī)療等多個領(lǐng)域的主力軍。電源制造商努力為自家 AC/DC 產(chǎn)品提供更多功能、監(jiān)測和控制性能，但與此同時客戶也面臨著要讓它們「消失」的壓力。用戶希望設(shè)備電源更小、更輕也更安靜，無論是從聽覺上還是以 EMI 的角度來看。它們在高輸出負(fù)載下運(yùn)行時應(yīng)該保持有限發(fā)熱量，不會給系統(tǒng)增加太多熱量，并且在待機(jī)或關(guān)機(jī)時的功耗，關(guān)機(jī)為什么存在功耗？應(yīng)該可忽略不計(jì)，甚至成本也應(yīng)該適中。同時，系統(tǒng)工程師不希望「小尺寸」導(dǎo)致操作有所限制（例如高度）而造成任何不樂觀的意外，采購部門也希望一個部件能適用多種應(yīng)用并具備不同應(yīng)用所需的認(rèn)證。

來個深呼吸

AC/DC 的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一起深吸一口氣，拿起他們的鉛筆，開始考慮必須做出的數(shù)千個設(shè)計(jì)決策。這些選擇通常相互沖突而且牽扯到多項(xiàng)學(xué)科背景，從電路理論到安全、EMC、磁學(xué)、機(jī)械、冷卻、美學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)符合性等等。在這種功率級別的現(xiàn)代設(shè)計(jì)總是有嵌入式固件的數(shù)字元素(數(shù)字部份)，因此編程技能成為另一個需要整合的要素。這是迫切需要整合的，而且產(chǎn)品管理可能會因應(yīng)需求改變規(guī)格，因此項(xiàng)目管理并非是最不重要的一門學(xué)科。

希望在了解 AC/DC 產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的處境后，我們以 RECOMRAC1200-V 系列作為成功整合的范例，來研究該產(chǎn)品是如何通過最新升級得到進(jìn)一步的改進(jìn)。該 AC/DC 轉(zhuǎn)換器在通用 80-264VAC 下運(yùn)行，提供具有寬調(diào)節(jié)范圍的 24V、36V 或 48V 單輸出，連續(xù)功率為 1kW，典型效率為 95%。

小封裝蘊(yùn)藏大能力

RACM1200-V 的整體尺寸為 228 x 96.2 x 40 mm（9 x 3.8 x 1.57 in），符合了第一個目標(biāo)項(xiàng)目。這是市場上額定功率密度最高的產(chǎn)品之一，適合1U 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架高度（1U = 1.75 in）。交流輸入和直流輸出位于兩端方便連接，內(nèi)部高效布局。然而若要達(dá)到聲稱的額定輸出，冷卻和尺寸就必須一起考慮。在這些產(chǎn)品的典型應(yīng)用中，出于維護(hù)和噪聲等原因，內(nèi)部風(fēng)扇是不受歡迎的，因此該產(chǎn)品采用獨(dú)立的散熱片和強(qiáng)制風(fēng)冷。雖然我們談?wù)摰氖堑湫偷?1kW 應(yīng)用，但產(chǎn)品部件號給出了提示：在規(guī)定的時間段內(nèi)峰值額定功率可至1200W或在適度的 2.5m/s 氣流冷卻下持續(xù)提供，底板溫度最高85°C。為了實(shí)現(xiàn)特定功率輸出會有所取舍：環(huán)境溫度和冷壁溫度、氣流、交流輸入電壓以及峰值功率的持續(xù)時間，RECOM 在產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中提供了能夠?qū)崿F(xiàn)的綜合指南。規(guī)格中經(jīng)常缺少的一個參數(shù)是峰值額定功率的重復(fù)率—需要一段冷卻時間是因?yàn)檫@樣溫度就不會隨著多個連續(xù)的峰值負(fù)載而「上升」過高。RECOM 提供的相關(guān)指南（圖 2）所示。

圖 2：RACM1200-V 量化的峰值負(fù)載能力

精密控制將電源保持在安全范圍內(nèi)

RACM1200-V 是針對多功能性而設(shè)計(jì)的，其溫度數(shù)據(jù)能讓用戶在特定條件下提取最大功率，從而避免選擇更昂貴、更大、更高額定值的 AC/DC。通過全面的保護(hù)機(jī)制可以避免對產(chǎn)品造成壓力，比如針對小過載的恒定功率模式下的精密過流檢測，還有恒定電流，以及最終在閉鎖前循環(huán)四次的「打嗝」式關(guān)斷（圖 3），同時也有過溫保護(hù)和輸出過壓保護(hù)。

圖 3：RACM1200-V 實(shí)施了多重過載和峰值負(fù)載限制

該產(chǎn)品還內(nèi)置了許多靈活性，例如保護(hù)級別可通過內(nèi)置的 PMBus 接口進(jìn)行調(diào)整。甚至過熱保護(hù)也有分級，對初級開關(guān)實(shí)施立即的「硬」關(guān)閉，對輸出組件則采取「緩和」關(guān)閉。如果溫度繼續(xù)升高，電源最一開始會降低輸出功率并在最終安全關(guān)閉之前發(fā)出警告。

RACM1200-V的數(shù)字智能固件經(jīng)過大幅升級，在多點(diǎn)測得的交流市電電壓和溫度等外部條件下，產(chǎn)品能夠有效實(shí)時監(jiān)控電力需求并進(jìn)行調(diào)配。這是為了讓用戶用得安心，不會擔(dān)心產(chǎn)品會損壞或受力過大而縮短使用壽命。為了進(jìn)一步幫助這個問題，終端系統(tǒng)設(shè)置了一個風(fēng)扇驅(qū)動輸出，通過「轉(zhuǎn)速表」信號監(jiān)控速度和狀態(tài)。由于風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)了溫度，因此可以減少耗損并將噪音降至最低。

PMBus 提供額外的監(jiān)控和控制，因此 RACM1200-V 可以集成到 SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）或智能電源管理系統(tǒng)中。然而快速安全的模擬控制并沒有被遺忘，因?yàn)橐灿羞h(yuǎn)程感應(yīng)、開關(guān)控制和 ACOK 信號以在交流電源故障之后和保持時間結(jié)束之前發(fā)出警告。PSU GOOD 信號用來告知輸出在規(guī)范之內(nèi)，并提供一個「不間斷」的 5V 1A 待機(jī)輸出，與主輸出之間有 1.5kV 隔離。已經(jīng)提到的風(fēng)扇驅(qū)動輸出可以預(yù)設(shè)為關(guān)閉或在 5V 和 12V 之間，額定電流為1A。為了增加一些視覺效果，RGB LED 以連續(xù)、閃爍和交替閃爍的組合來表示七種不同的 PSU 狀態(tài)：

該產(chǎn)品擁有高精度控制因此適用于多種負(fù)載類型。例如，驅(qū)動電機(jī)能承受高浪涌沖擊得受益于內(nèi)置恒流特性。電池充電是另外一種應(yīng)用；鉛酸電池仍被廣泛使用并以恒流恒壓充電，而 RACM1200-V 的控制功能可以實(shí)現(xiàn)上述功能。

如果產(chǎn)品還不能滿足您的需求，最多可以并聯(lián)三個來提高額定功率。共享均流是通過「下垂法」做到的以確保每個電源提供平均電流。 ?

不同的應(yīng)用需要符合不同的標(biāo)準(zhǔn)

我們已經(jīng)討論了該產(chǎn)品如何通過全面的控制和監(jiān)控來適應(yīng)不同的負(fù)載類型。然而不同的應(yīng)用也需要特定的標(biāo)準(zhǔn)符合性，而所謂的多功能 AC/DC 必須得滿足這些要求?，F(xiàn)代產(chǎn)品的最低要求是要有 IT 和多媒體標(biāo)準(zhǔn) IEC/EN/UL 62368-1 的認(rèn)證，RACM1200-V 符合此標(biāo)準(zhǔn)工作海拔5000 米，同時它還符合變壓器和電源裝置的安全標(biāo)準(zhǔn) IEC/EN 61558-1/2，以及測量、控制和實(shí)驗(yàn)室用電氣設(shè)備的安全要求 IEC/EN 61010-1/2，海拔高度 4000 m。該產(chǎn)品的額定過電壓類別為 IEC 62368-1 和 IEC 61010-2 的 II 類 (OVC II) 以及IEC 62477 的 III 類 (OVC III)，海拔高度可達(dá) 2000 m，因此部件能夠安裝在有電噪聲的環(huán)境中。產(chǎn)品也符合生態(tài)設(shè)計(jì)要求，典型空載功耗為 2W，待機(jī)功耗最大為 1W。

然而認(rèn)證不只于此，產(chǎn)品還符合醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn) IEC/EN ANSI-AAMI 60601-1。無需擔(dān)心會有額外問題因?yàn)樵摦a(chǎn)品滿足最高通用級別要求，250VAC 系統(tǒng)具有雙重患者保護(hù)措施 (2x MOPP) 海拔高達(dá) 4000 m。該級別的標(biāo)準(zhǔn)要求隔離電壓為4kVAC，同時提供雙輸入熔斷。在醫(yī)療應(yīng)用中，電源漏電流受到限制，產(chǎn)品在正常條件下 (NC) 患者漏電流最高 100μA，在單一故障條件 (SFC) 下最高則為 500μA。因此該產(chǎn)品能夠與內(nèi)置 BF（身體絕緣）連接一起使用，并可在醫(yī)院和護(hù)理環(huán)境中被廣泛應(yīng)用。

機(jī)箱的輸出隔離為 1.5kVAC，因此產(chǎn)品有機(jī)會被需要此隔離等級的以太網(wǎng)供電 (PoE) 的應(yīng)用所使用。

產(chǎn)品符合多項(xiàng)EMC 標(biāo)準(zhǔn)，包括IEC/EN 60601 B 類 EMC 輻射規(guī)范以及EN 55011、EN55032和 FCC 47 CFR Pt 15 的 B 類標(biāo)準(zhǔn)?？箶_度級別符合 IEC/EN 61000 系列標(biāo)準(zhǔn)，同時滿足分別針對多媒體和工業(yè)設(shè)備的 EN55035 和 EN 55024標(biāo)準(zhǔn)的要求。 ?

致極客

RACM1200-V 以實(shí)惠的價格實(shí)現(xiàn)高端規(guī)格、高功率密度和多功能性的卓越成就。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)設(shè)計(jì)人員使用了最新的轉(zhuǎn)換技術(shù)，包括交錯升壓 PFC 和最先進(jìn)的LLC隔離和轉(zhuǎn)換。這種諧振拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的方式是通過改變功率驅(qū)動波形的頻率以在諧振腔的響應(yīng)曲線上上下移動、改變電路級增益和輸出電壓，通過輸出反饋進(jìn)行模擬控制。為了達(dá)到最高效率采用了有源同步輸出整流器。雖然控制回路反饋是模擬的，但微控制器處理通信接口、外部控制和監(jiān)控。內(nèi)部和外部輔助控制電源則由另一個低功率 AC/DC 電源提供（圖 4）。

圖 4：RACM1200-V 框圖

安裝遺忘？

RECOM RAC1200-V 設(shè)計(jì)采用前沿技術(shù)，由于其特性和對用戶的要求而被放在房間的角落里。它有通用輸入范圍、全面的認(rèn)證和安全功能，很容易集成到任何常見的應(yīng)用中。新模塊化固件有清晰的邏輯，因此易于配置，制造商得以快速地提供定制品給客戶。安裝它但不要忘記它—恒定綠燈表示它正安靜地可靠工作。不過因?yàn)樗恍枰嚓P(guān)注所以可能會感到有點(diǎn)寂寞，您可以偶爾發(fā)一個 PMBus 查詢，讓它知道您還是很關(guān)心它的。 ? ?

審核編輯：湯梓紅