板载AC／DC电源让你无需高昂成本即可满足国际标准要求
作者：Jeff Shepard
3 W 至 20 W 板载 AC/DC 电源的应用越来越普及，涵盖了物联网 (IoT) 和工业物联网 (IIoT)、工业 4.0、工业自动化、视听设备、信息技术设备 (ITE)、智能家居/建筑、白色家电和消费类电器。虽然尝试设计低功率 AC/DC 电源极具吸引力，但这个过程比想象的要复杂和耗时。各种设计都需要满足具有挑战性的性能要求，包括宽输入电压范围、峰值功率输出和高功率密度。此外，还必须通过安全、效率、待机功率和电磁兼容性 (EMC) 等众多国际标准的认证。
正因如此，设计者可以使用紧凑型板载 AC/DC 电源。此类电源已通过经过认证，符合所有相关的国际性能标准，能加快产品上市时间。此类高能效电源的输入电压范围宽，可以接受 AC 或 DC 输入，灵活性高，全球兼容。
本文简要探讨了一般 AC/DC 电源的应用注意事项。然后以 RECOM Power 的 RACxx-K 系列 的三种板载 AC/DC 电源转换方案为例，指出特定产品的主要特性、优势以及使用方法。
AC/DC 转换器组合
AC/DC 电源可串联或并联，以提供更高的功率水平或实现冗余式热插拔运行（图 1）。
图 1：两个 AC/DC 转换器可以串联以获得更高的电压（上）或并联以获得更大的电流和/或以冗余方式运行（下）。（图片源：RECOM Power）
并联电源（如图 1 下方所示）可用于提供更高的电流，或通过冗余性能达到更高的可靠性。当两个电源都在或接近其全额定输出电流下运行时，电流可能会更高。输出电压没有变化，但电流增大，因此提高了输出功率。
在冗余电源配置中，使用多个电源来提高系统可靠性，而不是增加有效功率水平。冗余配置可分为几种形式。系统在拓扑结构中的配置为：正常工作期间仅从“主”电源获取电力，并在主电源故障时自动切换到“备用”电源。
N+1 冗余是另一种常用的拓扑结构，用于提高电源可靠性。N+1 系统由两个或多个电源组成。在图 1 中，下方的配置可作为 “N”=1 冗余架构。在这种情况下，每个电源在正常工作时的容量都只有 50%，但其他电源出现故障时，每个电源都可满载工作。
除采用并联方式能增加有效功率外，还可以通过电源串联来增加功率（图 1 中上方的配置）。在此例中，两个电源有相同的输出电压 VO，串联配置提供 2VO。由于输送至负载的电流没有变化，所以电压翻倍后，有效功率就翻倍了。
图 1 中的两种配置都包括用来隔离电源输出的 ORing 二极管。如果其中一个电源发生故障，ORing 二极管可以保护系统不发生灾难性故障。ORing 二极管的额定电流应大于电源的额定输出电流，而其额定击穿电压必须大于电源的输出电压。
AC/DC 输入注意事项
虽然有几种方法可以将两个或多个 AC/DC 电源的输出相连接以增加功能，但不能将两个 AC/DC 转换器的输入连接以增加输入电压范围。正因如此，宽输入（也称为通用输入）AC/DC 电源越来越受欢迎。保险丝保护也是 AC/DC 电源输入的一个重要考虑因素（图 2）。
图 2：通常情况下，使用单输入保险丝（如图上方所示），但如果输入没有极化，可以在两条输入线上都放置保险丝（如图下方所示）。（图片源：RECOM Power）
一般建议使用延时保险丝，也叫慢熔保险丝。如果交流输入没有极化，则保险丝可以连接到两条输入线上。建议采用的单相 AC/DC 电源的典型保险丝规格：输出功率低于 40 W 时 1.5 A，输出功率超过 40 W 但低于 60 W 时 2 A，输出功率为 60 W 或以上时 3 A。
如果 AC/DC 电源有一个接地引脚 (FG)，则必须将其在安全的接地点接地。-VOUT 输出电压可以连接 FG，将 -VOUT 输出引向地。设计师应指定短而厚的互连器件，以保证牢固连接，进一步减少电磁干扰 (EMI)（图 3）。
图 3：输出电压可以连接大地，将输出引向地。（图片源：RECOM Power）
用于物联网、IIoT 和家庭应用的 3 W 电源
对于需要 3 W 电源的物联网、IIoT 和家庭应用的设计者，RECOM 提供了 RAC03E-K/277 AC/DC 电源。这款电源提供经过严格稳压的 12 VDC 单输出（其他型号可提供 3.3 V 至 24 VDC 输出）。此类获得国际认证的电源具有增强型宽输入电压范围，具体为 85 V 至 305 VAC 或 120 V 至 430 VDC，并符合 ErP 待机功率要求。RAC03E-K/277 系列的工作温度范围宽，能在从 -30°C 到 +75°C 的自然对流冷却条件下提供满载输出功率（3.3 V 输出器件除外，这种器件在 +70°C 提供满载功率）（图 4）。
图 4：RAC03E-K/277 系列的工作温度范围宽，能在从 -30°C 到 +75°C 的条件下提供满载输出功率（3.3 V 输出器件除外，这种器件在 +70°C 提供满载功率）。（图片源：RECOM Power）
此类电源的所需板面积为 1.45 英寸 × 0.95 英寸，外形低矮，厚度小至 15.4 mm。此类电源的 4 kV AC 输入到输出隔离使其适合全球应用，且此类电源符合以下标准：
· UL/IEC/EN62368-1 认证
· CAN/CSA C22.2 No. 62368-1 条认证
· EN60335-1（申请中）
· EN62233（申请中）
· IEC/EN61558-1/2-16（申请中）
· 符合 EN55032/EN55035 标准
用于过程自动化和智能建筑的 10 W 电源
RAC10-05SK/277 5 VDC 输出 ACDC 电源的功率为 10 W，140% 的峰值功率使其满足具有电感、高启动电流或非线性负载系统的瞬时功率需求，如过程自动化和智能建筑应用（图 5）。这种在印刷电路板（PC 板）上安装的 AC/DC 电源获得了国际安全认证，符合工业和民用标准。
图 5：10 W RAC10-05SK/277 AC/DC 电源获得了国际安全认证，符合工业和民用标准。（图片源：RECOM Power）
这种 10 W 型号的电源分为 3.3 - 24 V DC 单输出电压版本和 ±12 V 或 ±15 V DC 双输出版本。这些电源符合 IEC62477-1 III 类电源过电压 (OVC III) 要求，适用于在固定装置中使用的工业系统，以及对设备的可靠性和利用率有特殊要求的情况。这些装置中的电源通常通过永久型硬线与 AC 配电盘连接。与上文讨论的 3 W RAC03E-K/277 一样，这些 AC/DC 电源具有 85 - 305 VAC 或 120 - 430 VDC 的超宽输入电压范围。
20 W 电源具有超低的空载功率
物联网和智能设备的设计者可以使用 20 W RAC20-K 系列 AC/DC 模块。例如，RAC20-48SK 版本产生 48 VDC 输出，在始终开启和待机应用中，其空载功耗仅为 40 毫瓦 (mW)。这些电源符合 ErP Lot 6 待机模式要求。这些电源具有 85 - 264 VAC 宽输入范围，也可选择 85 - 305 VAC 或 120 - 370 VDC 超宽输入范围。这些电源的修改版本符合 IEC62477-1 III 类电源 OVC 要求。这些安装在 PC 板上的电源可分为 5 - 48 VDC 单输出电压版本与 ±12 或 ±15 VDC 双输出版本。这些电源在从轻载到满载的整个负载范围内具有高效率，如 RAC20-05SK 5 V 版本的曲线图所示（图 6）。
图 6：如 RAC20-05SK（5 V 输出型号）的效率与输出负载的关系图所示，从轻载到满载的整个负载范围内都具有很高的效率。（图片源：RECOM Power）
RAC20-48SK AC/DC 电源符合 EN 55022 B 传导性电磁辐射要求，无需增加任何滤波功能。其工作温度 -40°C 至 +85°C，并具有国际安全认证，适用于工业、视听和信息技术设备，包括（* = 超宽输入型号正在申请中）：
· 获得了 IEC/EN62368-1 认证
· 获得了 UL62368-1 认证
· 获得了 CAN/CSA-C22.2 No. 62368-1-14 认证
· 获得了 IEC/EN60335 认证*
· 获得了 IEC/EN61558-1 认证*
· 获得了 IEC/EN61558-2-16 认证*
· 符合 IEC/EN61204-3 标准 *
· 符合 EN55032/14 标准 *
· 符合 EN55024 标准 *
通过单输出提供双输出
如上所述，3 W RAC03E-K/277 只提供单输出设计。10 W RAC10-05SK/277 和 20 W RAC20-48SK AC/DC 电源提供单输出和双输出。然而，双输出配置仅限于 ±12 VDC 或 ±15 VDC。在某些应用中，可能需要不同的输出电压组合。在这些情况下，设计者可以将单输出 AC/DC 电源与较低功率的 DC/DC 转换器或开关稳压器配对使用，提供一个辅助输出电压或一个负电压输出轨（图 7）。
图 7：开关稳压器（R-78xx，上）或 DC/DC 转换器（下）可以与 AC/DC 电源组合，产生一个辅助输出电压（上）或一个负电压轨（下）。（图片源：RECOM Power）
更多的 EMI 滤波
本文讨论的 RECOM RAC 系列 AC/DC 电源都含内置线路滤波器，符合 EN 55022 B 类传导型电磁放射要求。在要求更高的应用中，可能需要进行额外滤波。当添加外部滤波器时，应使用中央星形接地式布线拓扑结构，并且外部滤波器和转换器之间的布线应尽可能短（图 8）。
图 8：RECOM RAC AC/DC 电源符合 EN 55022 B 级传导性电磁辐射要求可根据需要增加一个外部过滤器。（图片源：RECOM Power）
总结
虽然对低功率、板载 AC/DC 电源的需求在持续增长，但这类电源仍然是复杂的系统。如果设计者不精通电源设计、测试和合规性方面的细微差别，从头开始设计将非常耗时，而且会增加成本，推迟设计进度并占用更多的电路板空间。
许多情况下，大量现成的紧凑型板载 AC/DC 交流/直流电源是不错的选择。如图所示，这些产品有各种各样的输入电压范围，可以接受 AC 或 DC 输入。此外，这些电源可能已经获得了所有相关国际性能标准和合规法规的认证。
