交流/直流電源可分為兩個主要系列之一：內(nèi)部電源或外部電源。內(nèi)部電源是將作為組件安裝在某些終端設(shè)備內(nèi)的電源;外部電源作為獨立的子組件伴隨終端設(shè)備。內(nèi)部和外部電源在成功實現(xiàn)電源作為最終系統(tǒng)的一個元素所需的工程工作量方面差異很大。
在系統(tǒng)中設(shè)計內(nèi)部交流/直流電源時，必須考慮有關(guān)安裝的安全、熱和電磁兼容性 (EMC) 影響的幾個因素。本文概述了與使用內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換解決方案相對于外部電源轉(zhuǎn)換解決方案相關(guān)的注意事項，并提供了實現(xiàn)正確安裝的指導(dǎo)。
內(nèi)部與外部
外部電源為原始設(shè)備制造商 (OEM) 提供了內(nèi)部轉(zhuǎn)換器無法提供的多種優(yōu)勢和便利。因此，使用外部適配器的趨勢
使用外部適配器會讓電源制造商承擔(dān)昂貴的安全合規(guī)性設(shè)計、測試和認(rèn)證的責(zé)任。下游安全超低電壓(SELV) 電路的電氣危險得到緩解，這意味著 OEM(不一定)需要解決與其設(shè)計中的高壓電路相關(guān)的安全問題。
OEM 還免除了管理其外殼內(nèi)與電源轉(zhuǎn)換相關(guān)的散熱的責(zé)任。當(dāng)今最高效的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)淙灶A(yù)計終端設(shè)備每消耗 3 瓦功率就會產(chǎn)生大約 1 BTU 每小時的熱量;在許多中功率和高功率應(yīng)用中會產(chǎn)生大量熱量。
外部轉(zhuǎn)換器增強(qiáng)了終端設(shè)備的可維護(hù)性。 OEM 無需派遣技術(shù)人員到遠(yuǎn)程站點來更換外部電源適配器。相反，未經(jīng)培訓(xùn)的消費者可以方便地更換組件，從而減少系統(tǒng)停機(jī)時間和 OEM 服務(wù)成本。
電源依賴于磁性元件和散熱器的使用，這兩種元件都不以體積小或重量輕而著稱。將這些又大又重的材料放置在設(shè)備本身之外有助于從營銷角度使其脫穎而出。
盡管外部電源轉(zhuǎn)換有很多好處，但仍有大量應(yīng)用從根本上需要實施內(nèi)部電源。這些應(yīng)用通常是固定或半永久性安裝和/或使用比標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成外部電源更多的功率，而標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成外部電源在 350W 以上變得異常稀缺。在這種情況下，外部電源轉(zhuǎn)換的上述好處成為實施挑戰(zhàn)。
安全影響
內(nèi)部電源是組件，而不是獨立設(shè)備。這意味著產(chǎn)品安全的許多方面取決于其使用方式，而不僅僅是其制造方式。
除非內(nèi)部電源安裝在另一個設(shè)備中，否則無法根據(jù)許多安全標(biāo)準(zhǔn)條款正確評估內(nèi)部電源。以IEC 60950-1為例，該標(biāo)準(zhǔn)通常用于評估工業(yè)應(yīng)用電源的安全性。以下條款很難甚至不可能單獨使用內(nèi)部電源進(jìn)行評估，但確實可能需要在最終應(yīng)用中進(jìn)行評估：
· 第 1.5、1.7、3.3 和 3.4 條中有關(guān)互連電纜和斷開設(shè)備使用的部分：
內(nèi)部電源 I/O 通常由固定在 PCB 上的接頭座或端子塊組成。安裝 PSU 時，需要使用線束將輸入和輸出端口分別引出至某個標(biāo)準(zhǔn)交流入口并引至 PCB。許多內(nèi)部 PSU 具有用于警報、控制信號或輔助電源軌的附加端口。所有這些外圍連接都需要進(jìn)行評估，以保證最終組裝中的安全。
· 第 2.1 條中有關(guān)帶電部件可觸及性的部分：
內(nèi)部電源，即使是帶有外殼或 U 形通道組件的電源，也無法提供足夠的防電擊保護(hù)。最終產(chǎn)品組裝應(yīng)提供此類保護(hù)，防止操作員無意中接觸危險電壓。使用外部電源時，PCB 周圍的塑料外殼可提供這些保護(hù)。
· 第 2.6 條中有關(guān)接地和連接規(guī)定的部分：
I 類內(nèi)部電源提供了一種將電源的保護(hù)接地節(jié)點連接到系統(tǒng)的保護(hù)接地的方法。一個或多個內(nèi)部 PSU 的安裝孔通常與電源轉(zhuǎn)換電路的保護(hù)性接地節(jié)點進(jìn)行電氣連接，這樣，如果終端設(shè)備機(jī)箱接地，則使用導(dǎo)電硬件向下安裝 PSU 即可完成所需的接地連接。其他常見配置包括輸入接頭上的接地引腳，或 PCB 上出現(xiàn)的單獨接地片。安裝需要進(jìn)行安全評估，以確保這些連接正確(正確的導(dǎo)體尺寸和阻抗、正確的絕緣材料和絕緣顏色等)。
· 第 2.10 條中有關(guān)爬電距離、間隙距離以及絕緣的部分：
在內(nèi)部電源的安全評估中充分考慮了第 2.10 條。但是，在安裝過程中必須注意不要損害這些合規(guī)性項目。 PSU 靠近附近導(dǎo)體可能會降低有效爬電距離和間隙距離。考慮以下假設(shè)情況，其中光耦合器用于將輸出電壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦β兽D(zhuǎn)換器初級側(cè)的控制卡。
在此示例配置中，光耦合器橋接了初級和次級之間的安全間隙(圖 1)。當(dāng)通孔引線突出到 PCB 底部時，高壓引線和 SELV 引線在 FR4 下方由 7 毫米的空氣隔開。此配置符合 60950-1 6 毫米間隙要求。
圖 1此示例配置顯示了內(nèi)部 PSU 安裝中的間隙距離。
如果使用(位置不當(dāng)?shù)?機(jī)械螺釘將外部物品固定到機(jī)箱(或?qū)C(jī)箱固定到其他物體)，則此配置與第 2.10 條的合規(guī)性可能會受到影響，如圖2所示。請注意，出于爬電距離和電氣間隙測量的目的，劃分爬電距離和電氣間隙距離的未連接導(dǎo)電部件被視為零距離。
圖 2機(jī)械螺釘可能會影響光耦合器的間隙距離。
突出到機(jī)箱中的機(jī)械螺釘，盡管沒有與任何連接的電氣部件接觸，但已有效地將光耦合器的間隙距離從 7 毫米減少到 5.5 毫米。因此，該組件不再符合第 2.10 條的規(guī)定。這就是 U 形通道組件中的 PSU 指定用于安裝 U 形通道的最大螺釘長度的原因之一。雖然突出的機(jī)器螺釘是此類安裝問題的常見罪魁禍?zhǔn)祝鼈儾⒉皇前惭b內(nèi)部電源時必須考慮的唯一未連接的導(dǎo)電部件。
· 第 4.1 條和第 4.2 條中有關(guān)機(jī)械穩(wěn)定性和強(qiáng)度的部分：
確保機(jī)械應(yīng)力不會造成安全隱患的責(zé)任落在最終組件身上。內(nèi)部電源不打算用作獨立設(shè)備，因此安全機(jī)構(gòu)通常不會評估其獨立機(jī)械完整性。重要的是最終安裝能否很好地承受機(jī)械應(yīng)力并支撐內(nèi)部 PSU。當(dāng)然，內(nèi)部電源必須設(shè)計得具有良好的機(jī)械性能，這樣它們就不會成為最終組裝中最薄弱的環(huán)節(jié)，但相關(guān)的安全評估不能在組件級別進(jìn)行。
· 第 4.6 和 4.7 條中有關(guān)外殼開口和防火的部分：
電氣設(shè)備的封閉方式必須有助于在發(fā)生災(zāi)難性故障時減輕火災(zāi)蔓延。雖然已采取措施確保內(nèi)部電源設(shè)計的方式不會因故障而引起火災(zāi)，但在最終組裝中仍必須實施防火外殼。
熱影響
熱量是電源轉(zhuǎn)換器的頭號敵人。在高工作溫度下，熱失控可能導(dǎo)致半導(dǎo)體過熱和燒毀，組件溫度可能超過適用安全標(biāo)準(zhǔn)允許的溫度，并且隨著化學(xué)過程的加速(特別是電解電容器)，設(shè)備的使用壽命可能會迅速縮短。使問題進(jìn)一步復(fù)雜化的是，電源在正常運行時會產(chǎn)生熱量。根據(jù)公式 1，電源產(chǎn)生的熱量與其運行效率相關(guān)。
其中 Q d是耗散的熱量(以瓦為單位)，P OUT是輸出功率(以瓦為單位)，η 是效率。 P OUT和 η 在等式 1 中用類似的下標(biāo)表示，以明確運行效率隨輸出 (O) 功率變化而不僅僅是某個固定值。
如果給定組件產(chǎn)生的熱量 100% 轉(zhuǎn)移到其環(huán)境中(假設(shè)結(jié)點與環(huán)境熱阻抗為 0°C/W)，則該組件的溫度不會升高。另一方面，如果產(chǎn)生的熱量和傳遞的熱量之間存在差異，則設(shè)備的溫度將根據(jù)其熱阻抗而升高。內(nèi)部電源的安裝方式必須能夠?qū)崃總鬟f到環(huán)境中。
大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部 PSU 旨在通過自然或強(qiáng)制對流促進(jìn)這種熱傳遞。某些內(nèi)部 PSU 還可能提供傳導(dǎo)路徑，通過與某些外部散熱器接觸將熱量從設(shè)備中帶走。安裝電源時，請務(wù)必考慮 PSU 制造商指定的冷卻要求。對于超低功耗應(yīng)用(大約 50W 或更低)，應(yīng)注意確保至少有一條空氣流過電源轉(zhuǎn)換器的路徑。
如果指定 PSU 在自然對流條件下提供給定量的功率，則意味著有一種方法可以允許在熱梯度的影響下在最終組件中發(fā)生自然對流。應(yīng)留有通風(fēng)口和一定的可用空間，以便空氣在溫暖的 PSU 組件周圍自然循環(huán)，從而消除其中的熱量。自然對流與完全靜止的空氣不同，應(yīng)小心不要“窒息”內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換器。
隨著功率水平的增加，自然對流通常不足以去除敏感 PSU 組件的熱量。在這種情況下，通常需要強(qiáng)制風(fēng)冷。強(qiáng)制風(fēng)冷涉及使用風(fēng)扇在單位時間內(nèi)從機(jī)柜外部推動或拉出更多的空氣穿過熱電源組件。通過這些部件的空氣越多，散發(fā)的熱量就越多。如果需要強(qiáng)制風(fēng)冷，電源制造商應(yīng)指定每次的體積和實現(xiàn)最佳冷卻性能所需的流向。
在某些應(yīng)用中，由于可聞噪音或缺乏足夠的通風(fēng)，無法部署強(qiáng)制風(fēng)冷。在這些情況下，必須提供傳導(dǎo)路徑將熱量從敏感的 PSU 組件傳遞到外界。應(yīng)該注意的是，并非所有內(nèi)部電源都設(shè)計有利于傳導(dǎo)冷卻。
有趣的是，電源相對于地球引力的物理方向有時可能是一個重要的熱考慮因素。熱空氣從地球上升，在對流循環(huán)中被密度更大、溫度更低的空氣取代。有時，方向不當(dāng)?shù)碾娫磿偈篃峥諝饬飨蛟O(shè)計中對熱敏感的組件。考慮電源的主開關(guān)晶體管(熱源)靠近電解電容器(熱敏感)的情況。如果可能，應(yīng)避免將電源放置在電解電容器物理上方的位置(圖 3)。
圖 3該圖顯示了物理方向?qū)ψ匀粚α鲹Q熱的影響。
同樣，應(yīng)對外殼內(nèi)發(fā)熱和熱敏組件的接近度和相對方向進(jìn)行評估。 PSU 本身既發(fā)熱又對熱敏感。
EMC 影響
EMC 認(rèn)證有時會給任何系統(tǒng)集成帶來挑戰(zhàn)，無論 PSU 是內(nèi)部還是外部。盡管 PSU 制造商努力爭取盡可能高的排放裕度，以便為終端設(shè)備電路留出空間來發(fā)射能量而不導(dǎo)致系統(tǒng)級故障，但對于 OEM 而言，了解兼容的電源并不意味著有足夠的空間仍然很重要。始終保證系統(tǒng)級合規(guī)性。對于內(nèi)部電源尤其如此，其中安裝決策可能會極大地影響最終系統(tǒng)的輻射和傳導(dǎo)發(fā)射曲線。常見錯誤包括功能接地不當(dāng)和接線松懈。
接地的作用不僅僅是將故障電流從毫無戒心的用戶中分流出來。當(dāng)所需/預(yù)期電流進(jìn)出 PSU 時，接地也是降低不需要的高頻 (HF) 能量的好地方。如果開關(guān)元件的高頻偽影耦合到輸入和/或輸出線上，它們可能會對輻射和傳導(dǎo)發(fā)射曲線造成嚴(yán)重破壞。為此，大多數(shù) PSU 設(shè)計都采用低阻抗交流路徑接地，以應(yīng)對來自輸入和輸出導(dǎo)體的高頻電流。確保這些路徑正確連接是 PSU 安裝的關(guān)鍵因素。
當(dāng)安裝硬件尚未用于保護(hù)接地功能時，更容易犯功能性接地錯誤。如果 PSU 沒有導(dǎo)電安裝，通常仍然需要在所有安裝孔之間建立電氣連接，因為 PSU 設(shè)計通常假設(shè)它們是連續(xù)的。轉(zhuǎn)換器次級側(cè)的一個或兩個安裝孔通常電容耦合至 DC+ 和 Return，以將 HF 噪聲分流至地，如圖4所示。
圖 4轉(zhuǎn)換器次級側(cè)的安裝孔電容耦合至 DC+ 和 Return，以將 HF 噪聲分流至地。
在圖 4 中，用戶負(fù)責(zé)保護(hù)虛線所示的功能連接。如果這不是通過使用導(dǎo)電安裝硬件來實現(xiàn)的，則需要手動將加蔽線連接到每個適用的安裝孔。否則，分流路徑將變成開路，高頻能量將無處可去，只能通過直流線束流出。
即使轉(zhuǎn)換器兩側(cè)的分流路徑確實正確連接，一定量的 HF 能量仍會進(jìn)入 I/O 接線。如果需要，可以通過在線束中添加共模電感來改善濾波。無論如何，應(yīng)注意使 I/O 線路盡可能短，并避免在預(yù)計會輻射電磁能的組件附近鋪設(shè) I/O 線。
當(dāng)使用內(nèi)部電源時，電源設(shè)計工作中會引入一系列(盡管很容易緩解)復(fù)雜性。在安全、散熱和電磁安裝考慮因素之間，很多事情都可能出錯。當(dāng)開始使用內(nèi)部電源的新設(shè)計時，或者如果您遇到與現(xiàn)有解決方案的集成問題，請記住這些準(zhǔn)則。
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