開放式交流/直流電源的電路板設計

　　交流/直流電源（有時稱“離線”電源）廣泛用于照明、顯示、信息技術和工業(yè)應用。除純電池供電的系統(tǒng)外，它們是幾乎所有電子系統(tǒng)的標準構件。

　　這些電源版本交付時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，且相對容易使用，但工程師在使用它們時必須注意一些設計上的考量。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 系列對流冷卻型 80 瓦 （W） 電源為例，深入探討了這些注意事項。

　　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第一個問題就是——“自制還是外購？”自已做的理由是，設計和建造一個或幾個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。

　　但在實踐中自制遠比你想得復雜得多，設計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

　　具有所需的保護功能，如過壓保護、欠壓鎖定和熱熔斷。

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

　　解決各種沖擊和振動要求

　　制定測試、驗證和性能認證計劃

　　現(xiàn)實情況是，即使是由在該領域有經(jīng)驗的熟練工程師組成的團隊，要在合理的時間內(nèi)，以可接受的前期非經(jīng)常性工程 （NRE）、物料清單 （BOM）、生產(chǎn)設置以及測試和鑒定成本，完成一項成功的設計，也是極具挑戰(zhàn)性的。

　　即使標準設備不能滿足要求，大多數(shù)交流/直流電源供應商也提供定制服務，他們能夠按照特定要求修改標準電源，同時滿足許多技術和法規(guī)要求。

　　從開放式實現(xiàn)開始

　　開放式電源是業(yè)界對純板結構的稱呼，它作為一個單一、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備應用中，由終端產(chǎn)品為電源提供物理和電氣外殼保護。開放式電源安裝靈活、性能優(yōu)異，符合監(jiān)管標準和規(guī)定，是高性價比的解決方案，能夠讓設計團隊專注于系統(tǒng)設計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。例如 XP Power 的 VCS100US12 100 瓦電源。底架還為設備制造商提供多種選擇，以將電源安裝到最終組件中，并且通常包括一個可拆卸的蓋子，以提供電氣和物理保護，并帶有空氣流通孔。

　　盡管開放式電源完整且隨時可以使用的，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。間隙是兩個導電部件之間在空氣中的最短距離，而爬電距離是指兩個導電部件之間沿固體絕緣材料表面的最短距離（圖 3）。這兩個因素所需的最小值是電源電壓以及工作條件的函數(shù)，工作條件如預期的污染，包括高壓節(jié)點周圍空氣中或高壓節(jié)點間表面上的灰塵、水分和其他微粒物質(zhì)。

　　圖 ：電路板設計必須滿足最小間隙（兩個導電部件之間在空氣中的最短距離）和爬電（兩個導電部件之間沿固體絕緣材料表面的最短距離）距離要求。（圖片來源：Altium Limited）

　　根據(jù)最終應用，電源也被分為幾個 IEC 分類：

　　I 類：用戶的電擊保護是通過絕緣和保護接地的組合來實現(xiàn)的。

　　II 類：通過兩級絕緣（雙層或增強）實現(xiàn)用戶電擊保護

　　I 類系統(tǒng)要求任何接地的金屬部分和電源的任何初級部分之間有三或四毫米 （mm） 的距離，具體取決于最終應用是工業(yè)領域還是醫(yī)療領域。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。

　　當使用 I 類電源時，與電源的安全地線連接是電氣系統(tǒng)的一個組成部分，它必須與設備的安全地線牢固連接。另外，可能有不止一個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（下文進一步討論）。

　　開放式和 U 型槽電源都包括一個整體保險絲；對于醫(yī)療設備應用，需要兩個保險絲。

　　保險絲通常是永久性地安裝在電源中，并不是為現(xiàn)場更換而設計的，因為保險絲激活（斷開）的唯一原因是電源出現(xiàn)故障，在再次使用該系統(tǒng)之前必須進行維修或更換。還可能對系統(tǒng)級熔斷有額外的要求，以保護互連電纜和連接的問題，以及與電源無關的其他電路。

　　熱管理和降額：熱量是所有電子系統(tǒng)中眾所周知的問題，因為它是導致元件疲勞和應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，設計者主要關注的是電源提供的總功率（瓦特）。

　　供應商通常為一個特定的最大額定功率設計一個系列電源，然后設置電壓和電流配對來匹配。例如，XP Power LCE80 系列的所有單元的額定功率為 80 W，最低電壓單元 LCE80PS05 在最高 12 A 時提供 5 伏電壓，而最高電壓的 LCE80PS54 在最高 1.48 A 時提供 54 伏電壓。之間更有八個輸出選擇：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現(xiàn)滿負荷功率。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 標準，計算的平均故障間隔時間 （MTBF） 為 30 萬小時。

　　該系列的所有設備都符合許多相關的監(jiān)管標準，包括（但不限于）EN55032 B 類的傳導和輻射發(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 負載及以上。安全認證包括 CB IEC62368-1 （ITE）、IEC60950-1 （ITE）、UL62368-1 （ITE）、TUV EN62368-1 （ITE）、EN61347（照明）和 UL8750（照明）。

　　任何供應的效率都是至關重要的，因為它決定了如何管理產(chǎn)生的熱量。開放式電源可以使用被動對流、主動強制空氣（風扇）或兩者相結合的方式進行冷卻。許多設計師傾向于選擇那些被指定為僅使用被動空氣冷卻而不使用風扇的電源，原因有很多，包括：

　　它節(jié)省了直接 BOM 成本，減少了產(chǎn)品組裝時間。

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

　　它避免了與風扇速度和操作管理有關的問題，通常是基于對環(huán)境溫度的感應。

　　它顯得更安靜，在許多情況下這是一個重要因素。

　　它避免了終端用戶無意中因堵塞風扇入口或出口而造成過熱問題。

　　簡而言之，消除對風扇的需求大大增強了整個系統(tǒng)的可靠性，簡化了機械設計，并降低了成本。為了不采用風扇，設計人員有必要查看電源規(guī)格書，以了解是否需要強制空氣來滿足所述規(guī)格，或者是否僅靠被動對流就足夠了。

　　這種檢查包括檢查供應商保證所有規(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。一個設計良好的電源可以在 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迅速降額達 20%，并在低至 40?C 的環(huán)境溫度時就開始降額。對于 LCE80 系列，在 50?C 以內(nèi)保證全部性能，在最高溫度 70?C 時線性降額至 50%（圖 4）。

　　圖 ：LCE80 系列的降額曲線顯示，這些電源在 50?C 下保持 80W 的額定性能，然后在 70?C 的最高工作溫度下降低 50%，達 40W。

　　安裝位置、方向、周圍可用空間、應用負載和周圍部件，以及任何空氣冷卻，對每個應用都是獨特的。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，因為可能存在廣泛的、高度局部化的差異。

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

　　圖 ：兩個典型的電解電容器的熱降額曲線顯示，根據(jù)阿倫紐斯方程（右），溫度每上升 10?C，其壽命就會減半。（圖片來源：XP Power）

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

　　圖 ：Y 電容器起的是共模濾波器的作用，用于電源的輸入側，將線路和中性線連接到地。（圖片來源：www.blogranya.blogspot.com）

　　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中電壓快速變化有關的噪聲。這些輸出共模電容對電源的 EMC 性能至關重要，必須連接起來以獲得最佳的 EMC 性能。

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

　　圖 ：圖上標有接地符號的安裝孔，在 I 類應用中必須連接到安全接地，在 II 類應用中必須連接在一起 。（圖片來源：XP Power）

　　這個板子不需要連接到其他任何東西，因為它的功能就是為濾波電容器連接到接地提供一個具有低寄生元件的低阻路徑。標有接地符號的安裝孔在 I 類應用中必須連接到安全接地，在 II 類應用中必須連接到一起。

　　作為一般準則，電源的所有輸入和輸出電纜應保持分開，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)生的電磁輻射導致傳導和輻射排放進入終端設備。

　　結語

　　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，設計師可以縮短并增強其設計導入過程，同時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、性能包絡計算、物理連接和布線。