使用开放式交流／直流电源时如何确保获得最佳效果

作者：Bill Schweber

交流/直流电源（有时称“离线”电源）广泛用于照明、显示、信息技术和工业应用。除纯电池供电的系统外，它们是几乎所有电子系统的标准构件。

这些电源版本交付时一般都是开放式单元，作为基本的、无封闭 PC 板嵌入 OEM 系统中，并依靠最终产品的封装来实现必要的整体封闭。这些电源工作的交流线路电压范围宽，并提供许多输出电压、电流和功率组合。

虽然它们在功能上是完整的，且相对容易使用，但工程师在使用它们时必须注意一些设计上的考量。具体包括：

· 电气安全/监管
· 热管理和降额
· 电磁兼容性

本文以 XP Power 的开放式电源及其 LCE80 系列对流冷却型 80 瓦 (W) 电源为例，深入探讨了这些注意事项。

电源：自制还是外购？

从过往记录来看，人们在选择这些电源时第一个问题就是——“自制还是外购？”自已做的理由是，设计和建造一个或几个单元的具有基本功能的 <100 W 的电源并不困难，至少在原则上如此。

但在实践中自制远比你想得复杂得多，设计和制作工作涉及如下内容：

· 确保在所有工作条件下，包括高/低电压交流线路、瞬态性能和温度范围，都能按规格工作
· 具有所需的保护功能，如过压保护、欠压锁定和热熔断。
· 了解并满足世界范围内许多复杂的安全、效率和静态功率的监管规定。
· 解决各种冲击和振动要求
· 制定测试、验证和性能认证计划

现实情况是，即使是由在该领域有经验的熟练工程师组成的团队，要在合理的时间内，以可接受的前期非经常性工程 (NRE)、物料清单 (BOM)、生产设置以及测试和鉴定成本，完成一项成功的设计，也是极具挑战性的。

即使标准设备不能满足要求，大多数交流/直流电源供应商也提供定制服务，他们能够按照特定要求修改标准电源，同时满足许多技术和法规要求。

从开放式实现开始

开放式电源是业界对纯板结构的称呼，它作为一个单一、完整的组件发挥作用，如 LCE80 系列中的那些电源（图 1）。它们直接安装到终端设备应用中，由终端产品为电源提供物理和电气外壳保护。开放式电源安装灵活、性能优异，符合监管标准和规定，是高性价比的解决方案，能够让设计团队专注于系统设计的其余部分及其差异化。

图 1：LCE80 系列 80 瓦开放式电源将所有需要的元器件安装在一块 PC 板上。（图片来源：XP Power）

开放式电源与另一种广泛使用的交流/直流电源不同，后者称为 U 型槽，电源电路板安装在通常由铝制成的 U 型底架中（图 2）。例如 XP Power 的 VCS100US12 100 瓦电源。底架还为设备制造商提供多种选择，以将电源安装到最终组件中，并且通常包括一个可拆卸的盖子，以提供电气和物理保护，并带有空气流通孔。

图 2：100 瓦 VCS100US12 U 型槽电源包括一个可拆卸保护罩。（图片来源：XP Power）

尽管开放式电源完整且随时可以使用的，但仍要注意电气安全/监管问题、热性能和限制以及安装和电磁兼容性 (EMC)。

电气安全/法规合规：开放式电源用户必须了解间隙和爬电要求。间隙是两个导电部件之间在空气中的最短距离，而爬电距离是指两个导电部件之间沿固体绝缘材料表面的最短距离（图 3）。这两个因素所需的最小值是电源电压以及工作条件的函数，工作条件如预期的污染，包括高压节点周围空气中或高压节点间表面上的灰尘、水分和其他微粒物质。

图 3：电路板设计必须满足最小间隙（两个导电部件之间在空气中的最短距离）和爬电（两个导电部件之间沿固体绝缘材料表面的最短距离）距离要求。（图片来源：Altium Limited）

根据最终应用，电源也被分为几个 IEC 分类：

· I 类：用户的电击保护是通过绝缘和保护接地的组合来实现的。
· II 类：通过两级绝缘（双层或增强）实现用户电击保护

I 类系统要求任何接地的金属部分和电源的任何初级部分之间有三或四毫米 (mm) 的距离，具体取决于最终应用是工业领域还是医疗领域。这可能需要在开放式电源组件周围增加绝缘子；II 类电源可能需要更大的爬电和间隙距离。

当使用 I 类电源时，与电源的安全地线连接是电气系统的一个组成部分，它必须与设备的安全地线牢固连接。另外，可能有不止一个必需的接地需连接到该组件上，这影响到电辐射和敏感性性能（下文进一步讨论）。

开放式和 U 型槽电源都包括一个整体保险丝；对于医疗设备应用，需要两个保险丝。

保险丝通常是永久性地安装在电源中，并不是为现场更换而设计的，因为保险丝激活（断开）的唯一原因是电源出现故障，在再次使用该系统之前必须进行维修或更换。还可能对系统级熔断有额外的要求，以保护互连电缆和连接的问题，以及与电源无关的其他电路。

热管理和降额：热量是所有电子系统中众所周知的问题，因为它是导致元件疲劳和应力引起的故障的主要原因，包括热循环引起的断裂。无论电源的具体电压和电流额定值如何，设计者主要关注的是电源提供的总功率（瓦特）。

供应商通常为一个特定的最大额定功率设计一个系列电源，然后设置电压和电流配对来匹配。例如，XP Power LCE80 系列的所有单元的额定功率为 80 W，最低电压单元 LCE80PS05 在最高 12 A 时提供 5 伏电压，而最高电压的 LCE80PS54 在最高 1.48 A 时提供 54 伏电压。之间更有八个输出选择：12 伏、15 伏、20 伏、24 伏、30 伏、36 伏、42 伏和 48 伏。

这些电源在 90 至 305 伏交流输入电压范围内工作，即使在 90 伏的低压线路下也能实现满负荷功率。效率接近 90%，这意味着只有 8W 被电源耗散；其余 72W 可用于系统需求。所有系列成员的尺寸均为 101.6 mm × 50.8 mm × 27.9 mm。工作温度范围为 -40°C 至 +70°C，在 -30°C（高交流线下为 -40°C）至 +50°C 的范围内可获得全功率。根据 MIL-HDBK-217F 标准，计算的平均故障间隔时间 (MTBF) 为 30 万小时。

该系列的所有设备都符合许多相关的监管标准，包括（但不限于）EN55032 B 类的传导和辐射发射；EN55035、EN61547 和 EN61000-4-2/3/4/5/6/8/11 的 EMC 抗扰度；EN61000-3-2 谐波电流 C 类的 50W 负载及以上。安全认证包括 CB IEC62368-1 (ITE)、IEC60950-1 (ITE)、UL62368-1 (ITE)、TUV EN62368-1 (ITE)、EN61347（照明）和 UL8750（照明）。

任何供应的效率都是至关重要的，因为它决定了如何管理产生的热量。开放式电源可以使用被动对流、主动强制空气（风扇）或两者相结合的方式进行冷却。许多设计师倾向于选择那些被指定为仅使用被动空气冷却而不使用风扇的电源，原因有很多，包括：

· 它节省了直接 BOM 成本，减少了产品组装时间。
· 它消除了一个潜在的故障源——风扇；而风扇将产生连锁反应，诱发过热并大大缩短电源的使用寿命。
· 它避免了与风扇速度和操作管理有关的问题，通常是基于对环境温度的感应。
· 它显得更安静，在许多情况下这是一个重要因素。
· 它避免了终端用户无意中因堵塞风扇入口或出口而造成过热问题。

简而言之，消除对风扇的需求大大增强了整个系统的可靠性，简化了机械设计，并降低了成本。为了不采用风扇，设计人员有必要查看电源规格书，以了解是否需要强制空气来满足所述规格，或者是否仅靠被动对流就足够了。

这种检查包括检查供应商保证所有规格性能的最高温度，以及降额曲线，该曲线定义了超过阈值温度后输出功率下降的程度。一个设计良好的电源可以在 50⁰C 的环境温度以及低至 90 伏的交流输入下保持额定功率输出。相比之下，一些产品宣传的是“招牌”额定功率，但在低交流线路电压下会迅速降额达 20%，并在低至 40⁰C 的环境温度时就开始降额。对于 LCE80 系列，在 50⁰C 以内保证全部性能，在最高温度 70⁰C 时线性降额至 50%（图 4）。

图 4：LCE80 系列的降额曲线显示，这些电源在 50⁰C 下保持 80W 的额定性能，然后在 70⁰C 的最高工作温度下降低 50%，达 40W。（图片来源：XP Power）

安装位置、方向、周围可用空间、应用负载和周围部件，以及任何空气冷却，对每个应用都是独特的。重要的是要在开放式电源处建立模型并测量温度，而不是在系统外壳的其他地方，因为可能存在广泛的、高度局部化的差异。

确定电源的估计使用寿命的一个关键因素是基于关键电解电容器温度的使用寿命曲线，这是唯一具有磨损机制的零件。所有电解电容器寿命的计算都是基于阿伦纽斯方程，温度每增加 10 摄氏度，反应速度就会增加一倍，因此寿命也会减少一半（图 5）。通过测量元件外壳温度，并将阿伦尼乌斯方程应用于指定的温度和设计寿命，可以很好地指示使用寿命。

图 5：两个典型的电解电容器的热降额曲线显示，根据阿伦纽斯方程（右），温度每上升 10⁰C，其寿命就会减半。（图片来源：XP Power）

电磁兼容性问题：开放式电源通常需要两个，有时是三个安装点与地线相连以满足标准要求。在 I 类系统中，其中一个连接需要安全接地，位于组件的输入侧。这个连接也将连接线对地和中性线对地的共模滤波电容器，也称为 Y 电容器（图 6）。

图 6：Y 电容器起的是共模滤波器的作用，用于电源的输入侧，将线路和中性线连接到地。（图片来源：www.blogranya.blogspot.com）

这些电容器与电源中的共模电感器一起工作，以削弱与电源的功率级中电压快速变化有关的噪声。这些输出共模电容对电源的 EMC 性能至关重要，必须连接起来以获得最佳的 EMC 性能。

有必要将这些点连接在一起，以确保符合开放式电源的 EMC 标准。需要连接到接地或连接在一起的点通常在电源规格书中会有说明，连接这些点的最佳方式是将电源安装在接地的金属板上（图 7）。

图 7：图上标有接地符号的安装孔，在 I 类应用中必须连接到安全接地，在 II 类应用中必须连接在一起 。（图片来源：XP Power）

这个板子不需要连接到其他任何东西，因为它的功能就是为滤波电容器连接到接地提供一个具有低寄生元件的低阻路径。标有接地符号的安装孔在 I 类应用中必须连接到安全接地，在 II 类应用中必须连接到一起。

作为一般准则，电源的所有输入和输出电缆应保持分开，并避免接近开放组件。这最大限度地减少了潜在问题，即电源内产生的电磁辐射导致传导和辐射排放进入终端设备。

结语

通过集中使用具有不同电压/电流额定值的单一系列开放式电源，设计师可以缩短并增强其设计导入过程，同时保持所有其他因素不变。这样就简化了安装、接地、EMC 和热分析、降额考虑、性能包络计算、物理连接和布线。