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一个非常普遍的需求是为最终产品选择内部 AC-DC 电源,功率范围在几瓦到几百瓦之间。在低端,替代方案可能是外部电源或“适配器”,但高于 100W 左右,通常选择内置产品作为内置模块,可能安装在机箱或 PCB 上。勇敢的人甚至可能会考虑内部设计,尤其是在所需的性能非标准的情况下。

为什么是内部?

让我们首先回顾一下为什么选择内部电源。对于商业产品,消费者不喜欢笨重的直插式“适配器”,但在低功率情况下,“壁疣”并不是什么大问题,随着技术的进步,更多的功率从更小的封装中挤出来,以至于适配器几乎不比墙壁插头本身大。使用外部电源也让产品设计师感到高兴——危险电压被隔离在外部,使最终产品的安全认证更加容易。

缺点是从适配器到产品的电缆长度会降低电压,可能需要在产品中使用额外的稳压器,并且通常没有机会对电源进行“智能”控制,例如关闭到“睡眠”模式或动态调整的输出电压。另一个问题是,整体 EMI 标准合规性仍然是最终产品制造商的责任,因此具有生产可变性和不确定电缆运行的适配器必须包含在 EMC 测试中,并且可能会产生不一致的结果。出于这个原因,为了更容易安全和 EMI 合规性,将直插式适配器内部安装到最终产品中并不为人所知。

在较高功率下,或者当控制和功能很重要时,首选内部或“设备”电源。应该在产品开发过程中尽早做出决定,因为系统电源工程师经常抱怨(并且通常是合理的)他们必须采购适合“任何剩余空间”的内置电源。这可能导致成本和性能妥协,最坏的情况是需要定制解决方案,并带来相关的延迟和风险。

安全、EMC 和环境合规性是最重要的

内置电源必须提供所需的电压和电流,但还有许多其他考虑因素。也许最重要的是安全、EMC 和环境合规性——产品最终用途是这里的指南;不同的标准适用于一系列应用:例如工业、家庭、测试和测量、医疗和楼宇自动化。如果产品用于铁路或军事等专业领域,标准又有所不同。即使在应用领域内,也存在差异——例如医疗中的患者或操作员环境。

一种趋势是新的安全标准是“基于危险的”,这迫使制造商额外考虑他们的产品如何被滥用;选择内部电源至少可以确保不会更换不合适的适配器。选择正确的认证非常重要且复杂,但如果没有经验丰富的内部合规工程师,信誉良好的电源供应商通常可以提供帮助。

力学可能是下一个考虑因素,不仅仅是形状和尺寸,还有连接器和冷却装置。“开放式”电源很受欢迎,而且成本低廉,通常带有可选的盖子,如果技术人员在产品通电时可以内部访问产品,则这些盖子是必需的。另一种选择是在接线板中常见的 DIN 导轨格式(图 1)。

内部电源产品通常具有用于交流输入和输出的螺钉端子或插入式连接器,通常为“Molex™”型。在这种情况下,电缆、端子、保险丝开关和任何机箱连接器都必须针对应用进行适当的评级和认证。电源外部但产品内部的交流输入电缆很可能会接收到干扰,因此 EMI 测试可能表明需要在靠近电源入口的地方安装另一个经过认证的机箱安装滤波器

接地需要特别注意;如果电源模块连接器在产品内部被拔下,在入口处仍然必须与设备机箱分开接地,以防火线松动。通常,所有接地连接都不得“可插拔”,除非断开连接器会同时完全从产品中移除带电连接。如果不是这种情况,则必须通过“永久”固定进行接地,该固定只能用工具松开,并包括锁紧垫圈或其他抗振技术。当然,必须根据所应用的安全标准遵守颜色编码和接线规格,必要时使用电缆应力消除装置。

内部电源的入口熔断器应仔细确定尺寸

通过有线 AC 连接到机箱连接器的内部电源必须在入口处包括合适的单保险丝或双保险丝(视情况而定)。请记住,最终产品交流保险丝保护上游电缆和连接,而不是内部电源,以防止短路和过载。当然,它必须通过正常运行电流并留有一定的浪涌余量,但它也应该在机箱连接器和电源之间对地短路后保险丝断开之前进行额定,以使连接到最终产品的外部交流电缆不会过载供应。即使外部电缆的额定电流非常高,保险丝的分断值也应低于任何上游保险丝或断路器,以避免导致多个电路断开的故障,即正确的保险丝“协调” – 一个关键问题在专业环境中(图 2)。

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图 :系统中的熔断器值应该是“协调的”:值熔断器 1 》 熔断器 2 》 熔断器 3。(来源 CUI)

综合考虑,讨论的交流连接考虑因素会影响内部电源的选择,如果仅具有边际 EMC 合规性并且需要额外的滤波,成本最低的开放式框架类型不一定会产生最便宜的整体系统成本。

冷却方式决定电源类型

冷却考虑很重要;内部电源可以是风扇、自然对流或底板冷却,具体取决于最终产品及其应用。在某些环境(例如医疗环境)中,出于噪音原因,或在难以更换的应用中,可能会排除风扇,但风扇冷却电源通常会比其他类型的电源更小。如果选择了风扇冷却供应,则必须仔细确定进气和排气路径以避免空气“死角”,特别是如果有其他系统风扇在运行。CUI 等制造商在其产品的数据表中提供了推荐的气流方向和风扇尺寸;在将电源设计到系统中时应考虑这些因素(图 3)。

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图 :应考虑风扇尺寸、方向和距离的建议,以避免空气“死角”。(来源 CUI)

对流冷却电源对方向敏感,应在放置时考虑其他发热组件,以避免相互过热。制造商无法预测最终产品安排,因此将根据“工作”环境温度对电源进行评级。这是最终产品外壳内的“本地”环境,它可能比外部温度高很多,只有通过在定义的负载条件下在完整系统中进行模拟和/或测量才能准确知道。

底板冷却电源也可用于密封外壳,并消除热流路径的不确定性。不过,确实需要有一个平坦的“冷墙”,电源有多个固定装置。可能需要在与有机硅传热片的界面处使用导热化合物,这是另一种可能性。

在确定电源大小及其冷却要求时,有必要检查所需的连续功率和峰值功率。有时,如果具有较高的浪涌额定功率并且负载是间歇性的,则可以使用更小、成本更低的电源。

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