如何選擇內(nèi)置電源

一個非常普遍的需求是為最終產(chǎn)品選擇內(nèi)部 AC-DC 電源，功率范圍在幾瓦到幾百瓦之間。在低端，替代方案可能是外部電源或“適配器”，但高于 100W 左右，通常選擇內(nèi)置產(chǎn)品作為內(nèi)置模塊，可能安裝在機箱或 PCB 上。勇敢的人甚至可能會考慮內(nèi)部設(shè)計，尤其是在所需的性能非標(biāo)準(zhǔn)的情況下。

為什么是內(nèi)部？

讓我們首先回顧一下為什么選擇內(nèi)部電源。對于商業(yè)產(chǎn)品，消費者不喜歡笨重的直插式“適配器”，但在低功率情況下，“壁疣”并不是什么大問題，隨著技術(shù)的進步，更多的功率從更小的封裝中擠出來，以至于適配器幾乎不比墻壁插頭本身大。使用外部電源也讓產(chǎn)品設(shè)計師感到高興——危險電壓被隔離在外部，使最終產(chǎn)品的安全認(rèn)證更加容易。

缺點是從適配器到產(chǎn)品的電纜長度會降低電壓，可能需要在產(chǎn)品中使用額外的穩(wěn)壓器，并且通常沒有機會對電源進行“智能”控制，例如關(guān)閉到“睡眠”模式或動態(tài)調(diào)整的輸出電壓。另一個問題是，整體 EMI 標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性仍然是最終產(chǎn)品制造商的責(zé)任，因此具有生產(chǎn)可變性和不確定電纜運行的適配器必須包含在 EMC 測試中，并且可能會產(chǎn)生不一致的結(jié)果。出于這個原因，為了更容易安全和 EMI 合規(guī)性，將直插式適配器內(nèi)部安裝到最終產(chǎn)品中并不為人所知。

在較高功率下，或者當(dāng)控制和功能很重要時，首選內(nèi)部或“設(shè)備”電源。應(yīng)該在產(chǎn)品開發(fā)過程中盡早做出決定，因為系統(tǒng)電源工程師經(jīng)常抱怨（并且通常是合理的）他們必須采購適合“任何剩余空間”的內(nèi)置電源。這可能導(dǎo)致成本和性能妥協(xié)，最壞的情況是需要定制解決方案，并帶來相關(guān)的延遲和風(fēng)險。

安全、EMC 和環(huán)境合規(guī)性是最重要的

內(nèi)置電源必須提供所需的電壓和電流，但還有許多其他考慮因素。也許最重要的是安全、EMC 和環(huán)境合規(guī)性——產(chǎn)品最終用途是這里的指南；不同的標(biāo)準(zhǔn)適用于一系列應(yīng)用：例如工業(yè)、家庭、測試和測量、醫(yī)療和樓宇自動化。如果產(chǎn)品用于鐵路或軍事等專業(yè)領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)又有所不同。即使在應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，也存在差異——例如醫(yī)療中的患者或操作員環(huán)境。

一種趨勢是新的安全標(biāo)準(zhǔn)是“基于危險的”，這迫使制造商額外考慮他們的產(chǎn)品如何被濫用；選擇內(nèi)部電源至少可以確保不會更換不合適的適配器。選擇正確的認(rèn)證非常重要且復(fù)雜，但如果沒有經(jīng)驗豐富的內(nèi)部合規(guī)工程師，信譽良好的電源供應(yīng)商通常可以提供幫助。

力學(xué)可能是下一個考慮因素，不僅僅是形狀和尺寸，還有連接器和冷卻裝置?！伴_放式”電源很受歡迎，而且成本低廉，通常帶有可選的蓋子，如果技術(shù)人員在產(chǎn)品通電時可以內(nèi)部訪問產(chǎn)品，則這些蓋子是必需的。另一種選擇是在接線板中常見的 DIN 導(dǎo)軌格式（圖 1）。

內(nèi)部電源產(chǎn)品通常具有用于交流輸入和輸出的螺釘端子或插入式連接器，通常為“Molex?”型。在這種情況下，電纜、端子、保險絲、開關(guān)和任何機箱連接器都必須針對應(yīng)用進行適當(dāng)?shù)脑u級和認(rèn)證。電源外部但產(chǎn)品內(nèi)部的交流輸入電纜很可能會接收到干擾，因此 EMI 測試可能表明需要在靠近電源入口的地方安裝另一個經(jīng)過認(rèn)證的機箱安裝濾波器。

接地需要特別注意；如果電源模塊連接器在產(chǎn)品內(nèi)部被拔下，在入口處仍然必須與設(shè)備機箱分開接地，以防火線松動。通常，所有接地連接都不得“可插拔”，除非斷開連接器會同時完全從產(chǎn)品中移除帶電連接。如果不是這種情況，則必須通過“永久”固定進行接地，該固定只能用工具松開，并包括鎖緊墊圈或其他抗振技術(shù)。當(dāng)然，必須根據(jù)所應(yīng)用的安全標(biāo)準(zhǔn)遵守顏色編碼和接線規(guī)格，必要時使用電纜應(yīng)力消除裝置。

內(nèi)部電源的入口熔斷器應(yīng)仔細(xì)確定尺寸

通過有線 AC 連接到機箱連接器的內(nèi)部電源必須在入口處包括合適的單保險絲或雙保險絲（視情況而定）。請記住，最終產(chǎn)品交流保險絲保護上游電纜和連接，而不是內(nèi)部電源，以防止短路和過載。當(dāng)然，它必須通過正常運行電流并留有一定的浪涌余量，但它也應(yīng)該在機箱連接器和電源之間對地短路后保險絲斷開之前進行額定，以使連接到最終產(chǎn)品的外部交流電纜不會過載供應(yīng)。即使外部電纜的額定電流非常高，保險絲的分?jǐn)嘀狄矐?yīng)低于任何上游保險絲或斷路器，以避免導(dǎo)致多個電路斷開的故障，即正確的保險絲“協(xié)調(diào)” - 一個關(guān)鍵問題在專業(yè)環(huán)境中（圖 2）。

圖 ：系統(tǒng)中的熔斷器值應(yīng)該是“協(xié)調(diào)的”：值熔斷器 1 》 熔斷器 2 》 熔斷器 3。（來源 CUI）

綜合考慮，討論的交流連接考慮因素會影響內(nèi)部電源的選擇，如果僅具有邊際 EMC 合規(guī)性并且需要額外的濾波，成本最低的開放式框架類型不一定會產(chǎn)生最便宜的整體系統(tǒng)成本。

冷卻方式?jīng)Q定電源類型

冷卻考慮很重要；內(nèi)部電源可以是風(fēng)扇、自然對流或底板冷卻，具體取決于最終產(chǎn)品及其應(yīng)用。在某些環(huán)境（例如醫(yī)療環(huán)境）中，出于噪音原因，或在難以更換的應(yīng)用中，可能會排除風(fēng)扇，但風(fēng)扇冷卻電源通常會比其他類型的電源更小。如果選擇了風(fēng)扇冷卻供應(yīng)，則必須仔細(xì)確定進氣和排氣路徑以避免空氣“死角”，特別是如果有其他系統(tǒng)風(fēng)扇在運行。CUI 等制造商在其產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表中提供了推薦的氣流方向和風(fēng)扇尺寸；在將電源設(shè)計到系統(tǒng)中時應(yīng)考慮這些因素（圖 3）。

圖 ：應(yīng)考慮風(fēng)扇尺寸、方向和距離的建議，以避免空氣“死角”。（來源 CUI）

對流冷卻電源對方向敏感，應(yīng)在放置時考慮其他發(fā)熱組件，以避免相互過熱。制造商無法預(yù)測最終產(chǎn)品安排，因此將根據(jù)“工作”環(huán)境溫度對電源進行評級。這是最終產(chǎn)品外殼內(nèi)的“本地”環(huán)境，它可能比外部溫度高很多，只有通過在定義的負(fù)載條件下在完整系統(tǒng)中進行模擬和/或測量才能準(zhǔn)確知道。

底板冷卻電源也可用于密封外殼，并消除熱流路徑的不確定性。不過，確實需要有一個平坦的“冷墻”，電源有多個固定裝置?？赡苄枰谂c有機硅傳熱片的界面處使用導(dǎo)熱化合物，這是另一種可能性。

在確定電源大小及其冷卻要求時，有必要檢查所需的連續(xù)功率和峰值功率。有時，如果具有較高的浪涌額定功率并且負(fù)載是間歇性的，則可以使用更小、成本更低的電源。

Ron Stull是CUI Inc的一名電力系統(tǒng)工程師。自 2009 年加入 CUI 以來，Ron 在模擬和數(shù)字電源以及 AC-DC 和 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域積累了一系列知識和經(jīng)驗。他在 CUI 的工程團隊中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，職責(zé)包括應(yīng)用支持、測試和驗證以及設(shè)計。在電力工程之外，可以發(fā)現(xiàn) Ron 彈吉他、跑步和與妻子一起在戶外旅行，他們的目標(biāo)是參觀所有美國國家公園。