使用開放式交流/直流電源時(shí)如何確保獲得最佳效果

作者：Bill Schweber

交流/直流電源（有時(shí)稱“離線”電源）廣泛用于照明、顯示、信息技術(shù)和工業(yè)應(yīng)用。除純電池供電的系統(tǒng)外，它們是幾乎所有電子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件。

這些電源版本交付時(shí)一般都是開放式單元，作為基本的、無封閉 PC 板嵌入 OEM系統(tǒng)中，并依靠最終產(chǎn)品的封裝來實(shí)現(xiàn)必要的整體封閉。這些電源工作的交流線路電壓范圍寬，并提供許多輸出電壓、電流和功率組合。

雖然它們在功能上是完整的，且相對(duì)容易使用，但工程師在使用它們時(shí)必須注意一些設(shè)計(jì)上的考量。具體包括：

電氣安全/監(jiān)管

熱管理和降額

電磁兼容性

本文以 XP Power 的開放式電源及其 LCE80 系列對(duì)流冷卻型 80 瓦 （W） 電源為例，深入探討了這些注意事項(xiàng)。

電源：自制還是外購？

從過往記錄來看，人們在選擇這些電源時(shí)第一個(gè)問題就是——“自制還是外購？”自已做的理由是，設(shè)計(jì)和建造一個(gè)或幾個(gè)單元的具有基本功能的100 W的電源并不困難，至少在原則上如此。

但在實(shí)踐中自制遠(yuǎn)比你想得復(fù)雜得多，設(shè)計(jì)和制作工作涉及如下內(nèi)容：

確保在所有工作條件下，包括高/低電壓交流線路、瞬態(tài)性能和溫度范圍，都能按規(guī)格工作

具有所需的保護(hù)功能，如過壓保護(hù)、欠壓鎖定和熱熔斷。

了解并滿足世界范圍內(nèi)許多復(fù)雜的安全、效率和靜態(tài)功率的監(jiān)管規(guī)定。

解決各種沖擊和振動(dòng)要求

制定測試、驗(yàn)證和性能認(rèn)證計(jì)劃

現(xiàn)實(shí)情況是，即使是由在該領(lǐng)域有經(jīng)驗(yàn)的熟練工程師組成的團(tuán)隊(duì)，要在合理的時(shí)間內(nèi)，以可接受的前期非經(jīng)常性工程 （NRE）、物料清單（BOM）、生產(chǎn)設(shè)置以及測試和鑒定成本，完成一項(xiàng)成功的設(shè)計(jì)，也是極具挑戰(zhàn)性的。

即使標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備不能滿足要求，大多數(shù)交流/直流電源供應(yīng)商也提供定制服務(wù)，他們能夠按照特定要求修改標(biāo)準(zhǔn)電源，同時(shí)滿足許多技術(shù)和法規(guī)要求。

從開放式實(shí)現(xiàn)開始

開放式電源是業(yè)界對(duì)純板結(jié)構(gòu)的稱呼，它作為一個(gè)單一、完整的組件發(fā)揮作用，如 LCE80 系列中的那些電源（圖1）。它們直接安裝到終端設(shè)備應(yīng)用中，由終端產(chǎn)品為電源提供物理和電氣外殼保護(hù)。開放式電源安裝靈活、性能優(yōu)異，符合監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，是高性價(jià)比的解決方案，能夠讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)專注于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的其余部分及其差異化。

開放式電源與另一種廣泛使用的交流/直流電源不同，后者稱為 U 型槽，電源電路板安裝在通常由鋁制成的 U 型底架中（圖 2）。例如 XP Power 的VCS100US12 100瓦電源。底架還為設(shè)備制造商提供多種選擇，以將電源安裝到最終組件中，并且通常包括一個(gè)可拆卸的蓋子，以提供電氣和物理保護(hù)，并帶有空氣流通孔。

盡管開放式電源完整且隨時(shí)可以使用的，但仍要注意電氣安全/監(jiān)管問題、熱性能和限制以及安裝和電磁兼容性 （EMC）。

電氣安全/法規(guī)合規(guī)：開放式電源用戶必須了解間隙和爬電要求。間隙是兩個(gè)導(dǎo)電部件之間在空氣中的最短距離，而爬電距離是指兩個(gè)導(dǎo)電部件之間沿固體絕緣材料表面的最短距離（圖3）。這兩個(gè)因素所需的最小值是電源電壓以及工作條件的函數(shù)，工作條件如預(yù)期的污染，包括高壓節(jié)點(diǎn)周圍空氣中或高壓節(jié)點(diǎn)間表面上的灰塵、水分和其他微粒物質(zhì)。

根據(jù)最終應(yīng)用，電源也被分為幾個(gè) IEC 分類：

I 類：用戶的電擊保護(hù)是通過絕緣和保護(hù)接地的組合來實(shí)現(xiàn)的。

II 類：通過兩級(jí)絕緣（雙層或增強(qiáng)）實(shí)現(xiàn)用戶電擊保護(hù)

I 類系統(tǒng)要求任何接地的金屬部分和電源的任何初級(jí)部分之間有三或四毫米 （mm）的距離，具體取決于最終應(yīng)用是工業(yè)領(lǐng)域還是醫(yī)療領(lǐng)域。這可能需要在開放式電源組件周圍增加絕緣子；II 類電源可能需要更大的爬電和間隙距離。

當(dāng)使用 I類電源時(shí)，與電源的安全地線連接是電氣系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它必須與設(shè)備的安全地線牢固連接。另外，可能有不止一個(gè)必需的接地需連接到該組件上，這影響到電輻射和敏感性性能（下文進(jìn)一步討論）。

開放式和 U 型槽電源都包括一個(gè)整體保險(xiǎn)絲；對(duì)于醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用，需要兩個(gè)保險(xiǎn)絲。

保險(xiǎn)絲通常是永久性地安裝在電源中，并不是為現(xiàn)場更換而設(shè)計(jì)的，因?yàn)楸ｋU(xiǎn)絲激活（斷開）的唯一原因是電源出現(xiàn)故障，在再次使用該系統(tǒng)之前必須進(jìn)行維修或更換。還可能對(duì)系統(tǒng)級(jí)熔斷有額外的要求，以保護(hù)互連電纜和連接的問題，以及與電源無關(guān)的其他電路。

熱管理和降額：熱量是所有電子系統(tǒng)中眾所周知的問題，因?yàn)樗菍?dǎo)致元件疲勞和應(yīng)力引起的故障的主要原因，包括熱循環(huán)引起的斷裂。無論電源的具體電壓和電流額定值如何，設(shè)計(jì)者主要關(guān)注的是電源提供的總功率（瓦特）。

供應(yīng)商通常為一個(gè)特定的最大額定功率設(shè)計(jì)一個(gè)系列電源，然后設(shè)置電壓和電流配對(duì)來匹配。例如，XP Power LCE80 系列的所有單元的額定功率為 80W，最低電壓單元 LCE80PS05 在最高 12 A 時(shí)提供 5 伏電壓，而最高電壓的 LCE80PS54 在最高 1.48 A 時(shí)提供 54伏電壓。之間更有八個(gè)輸出選擇：12 伏、15伏、20 伏、24 伏、30 伏、36 伏、42 伏和 48 伏。

這些電源在 90 至 305 伏交流輸入電壓范圍內(nèi)工作，即使在 90 伏的低壓線路下也能實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷功率。效率接近 90%，這意味著只有 8W被電源耗散；其余 72W 可用于系統(tǒng)需求。所有系列成員的尺寸均為 101.6 mm × 50.8 mm × 27.9 mm。工作溫度范圍為 -40°C 至+70°C，在 -30°C（高交流線下為 -40°C）至 +50°C 的范圍內(nèi)可獲得全功率。根據(jù) MIL-HDBK-217F 標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算的平均故障間隔時(shí)間（MTBF） 為 30 萬小時(shí)。

該系列的所有設(shè)備都符合許多相關(guān)的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，包括（但不限于）EN55032 B 類的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射；EN55035、EN61547 和EN61000-4-2/3/4/5/6/8/11 的 EMC 抗擾度；EN61000-3-2 諧波電流 C 類的 50W 負(fù)載及以上。安全認(rèn)證包括 CBIEC62368-1 （ITE）、IEC60950-1 （ITE）、UL62368-1 （ITE）、TUV EN62368-1（ITE）、EN61347（照明）和 UL8750（照明）。

任何供應(yīng)的效率都是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼪Q定了如何管理產(chǎn)生的熱量。開放式電源可以使用被動(dòng)對(duì)流、主動(dòng)強(qiáng)制空氣（風(fēng)扇）或兩者相結(jié)合的方式進(jìn)行冷卻。許多設(shè)計(jì)師傾向于選擇那些被指定為僅使用被動(dòng)空氣冷卻而不使用風(fēng)扇的電源，原因有很多，包括：

它節(jié)省了直接 BOM 成本，減少了產(chǎn)品組裝時(shí)間。

它消除了一個(gè)潛在的故障源——風(fēng)扇；而風(fēng)扇將產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，誘發(fā)過熱并大大縮短電源的使用壽命。

它避免了與風(fēng)扇速度和操作管理有關(guān)的問題，通常是基于對(duì)環(huán)境溫度的感應(yīng)。

它顯得更安靜，在許多情況下這是一個(gè)重要因素。

它避免了終端用戶無意中因堵塞風(fēng)扇入口或出口而造成過熱問題。

簡而言之，消除對(duì)風(fēng)扇的需求大大增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，簡化了機(jī)械設(shè)計(jì)，并降低了成本。為了不采用風(fēng)扇，設(shè)計(jì)人員有必要查看電源規(guī)格書，以了解是否需要強(qiáng)制空氣來滿足所述規(guī)格，或者是否僅靠被動(dòng)對(duì)流就足夠了。

這種檢查包括檢查供應(yīng)商保證所有規(guī)格性能的最高溫度，以及降額曲線，該曲線定義了超過閾值溫度后輸出功率下降的程度。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的電源可以在 50?C的環(huán)境溫度以及低至 90 伏的交流輸入下保持額定功率輸出。相比之下，一些產(chǎn)品宣傳的是“招牌”額定功率，但在低交流線路電壓下會(huì)迅速降額達(dá) 20%，并在低至40?C 的環(huán)境溫度時(shí)就開始降額。對(duì)于 LCE80 系列，在 50?C 以內(nèi)保證全部性能，在最高溫度 70?C 時(shí)線性降額至 50%（圖 4）。

安裝位置、方向、周圍可用空間、應(yīng)用負(fù)載和周圍部件，以及任何空氣冷卻，對(duì)每個(gè)應(yīng)用都是獨(dú)特的。重要的是要在開放式電源處建立模型并測量溫度，而不是在系統(tǒng)外殼的其他地方，因?yàn)榭赡艽嬖趶V泛的、高度局部化的差異。

確定電源的估計(jì)使用壽命的一個(gè)關(guān)鍵因素是基于關(guān)鍵電解電容器溫度的使用壽命曲線，這是唯一具有磨損機(jī)制的零件。所有電解電容器壽命的計(jì)算都是基于阿倫紐斯方程，溫度每增加10 攝氏度，反應(yīng)速度就會(huì)增加一倍，因此壽命也會(huì)減少一半（圖5）。通過測量元件外殼溫度，并將阿倫尼烏斯方程應(yīng)用于指定的溫度和設(shè)計(jì)壽命，可以很好地指示使用壽命。

電磁兼容性問題：開放式電源通常需要兩個(gè)，有時(shí)是三個(gè)安裝點(diǎn)與地線相連以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在 I類系統(tǒng)中，其中一個(gè)連接需要安全接地，位于組件的輸入側(cè)。這個(gè)連接也將連接線對(duì)地和中性線對(duì)地的共模濾波電容器，也稱為 Y 電容器（圖 6）。

這些電容器與電源中的共模電感器一起工作，以削弱與電源的功率級(jí)中電壓快速變化有關(guān)的噪聲。這些輸出共模電容對(duì)電源的 EMC性能至關(guān)重要，必須連接起來以獲得最佳的 EMC 性能。

有必要將這些點(diǎn)連接在一起，以確保符合開放式電源的 EMC標(biāo)準(zhǔn)。需要連接到接地或連接在一起的點(diǎn)通常在電源規(guī)格書中會(huì)有說明，連接這些點(diǎn)的最佳方式是將電源安裝在接地的金屬板上（圖 7）。

這個(gè)板子不需要連接到其他任何東西，因?yàn)樗墓δ芫褪菫闉V波電容器連接到接地提供一個(gè)具有低寄生元件的低阻路徑。標(biāo)有接地符號(hào)的安裝孔在 I類應(yīng)用中必須連接到安全接地，在 II 類應(yīng)用中必須連接到一起。

作為一般準(zhǔn)則，電源的所有輸入和輸出電纜應(yīng)保持分開，并避免接近開放組件。這最大限度地減少了潛在問題，即電源內(nèi)產(chǎn)生的電磁輻射導(dǎo)致傳導(dǎo)和輻射排放進(jìn)入終端設(shè)備。

結(jié)語

通過集中使用具有不同電壓/電流額定值的單一系列開放式電源，設(shè)計(jì)師可以縮短并增強(qiáng)其設(shè)計(jì)導(dǎo)入過程，同時(shí)保持所有其他因素不變。這樣就簡化了安裝、接地、EMC和熱分析、降額考慮、性能包絡(luò)計(jì)算、物理連接和布線。