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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

投稿人:Digi-Key 北美编辑

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 PowerRACxx-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)。

两个 AC/DC 转换器串联图 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)。

单输入保险丝与双输入线路之比较图 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)。

输出电压可以连接大地,将输出引向地。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)。

RECOM RAC03E-K/277 系列器件的工作温度范围宽图 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。

RECOM 的 10 W RAC10-05SK/277 AC/DC 电源图图 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)。

RECOM RAC20-05SK 的效率与输出负载曲线图图 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)。

开关稳压器(RECOM R-78xx,上)或 DC/DC 转换器(下)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)。

RECOM RAC AC/DC 电源符合 EN 55022 B 级传导性电磁辐射要求的图图 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。

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关于此作者

Jeff Shepard

Jeff 从事电力电子、电子元件和其它技术主题写作 30 余载。在其于 EETimes 任职高级编辑期间,他开始了电力电子写作。后来,他创立了一份叫《Powertechniques》的电力电子杂志,再后来又创立了一家全球性的研究和出版公司 Darnell Group。在开展各项业务的同时,Darnell Group 还发布了 PowerPulse.net,专门针对全球电力电子工程社区提供每日新闻。他是一本名为《Power Supplies》的开关模式电源教课书的作者,该书由 Prentice Hall 旗下 Reston 分部出版。

Jeff 还是 Jeta Power Systems 共同创始人,这是一家高功率开关电源制造商,后来被 Computer Products 收购。Jeff 也是一个发明家,其名下拥有 17 项热能收集和光学超材料美国专利,同时他也是掌握电力电子行业全球趋势的专家和网红发言人。他拥有加利福尼亚大学定量方法和数学硕士学位。

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