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交流/直流電源（有時(shí)稱(chēng)“離線(xiàn)”電源）廣泛用于照明、顯示、信息技術(shù)和工業(yè)應用。除純電池供電的系統外，它們是幾乎所有電子系統的標準構件。 這些電源版本交付時(shí)一般都是開(kāi)放式單元，作為基本的、無(wú)封閉 PC 板嵌入 OEM 系統中，并依靠最終產(chǎn)品的封裝來(lái)實(shí)現必要的整體封閉。這些電源工作的交流線(xiàn)路電壓范圍寬，并提供許多輸出電壓、電流和功率組合。 雖然它們在功能上是完整的，且相對容易使用，但工程師在使用它們時(shí)必須注意一些設計上的考量。具體包括： · 電氣安全/監管 · 熱管理和降額 · 電磁兼容性 本文以 XP Power 的開(kāi)放式電源及其 LCE80 系列對流冷卻型 80 瓦 (W) 電源為例，深入探討了這些注意事項。 電源：自制還是外購？ 從過(guò)往記錄來(lái)看，人們在選擇這些電源時(shí)第一個(gè)問(wèn)題就是——“自制還是外購？”自已做的理由是，設計和建造一個(gè)或幾個(gè)單元的具有基本功能的 <100 W 的電源并不困難，至少在原則上如此。 但在實(shí)踐中自制遠比你想得復雜得多，設計和制作工作涉及如下內容： · 確保在所有工作條件下，包括高/低電壓交流線(xiàn)路、瞬態(tài)性能和溫度范圍，都能按規格工作 · 具有所需的保護功能，如過(guò)壓保護、欠壓鎖定和熱熔斷。 · 了解并滿(mǎn)足世界范圍內許多復雜的安全、效率和靜態(tài)功率的監管規定。 · 解決各種沖擊和振動(dòng)要求 · 制定測試、驗證和性能認證計劃 現實(shí)情況是，即使是由在該領(lǐng)域有經(jīng)驗的熟練工程師組成的團隊，要在合理的時(shí)間內，以可接受的前期非經(jīng)常性工程 (NRE)、物料清單 (BOM)、生產(chǎn)設置以及測試和鑒定成本，完成一項成功的設計，也是極具挑戰性的。 即使標準設備不能滿(mǎn)足要求，大多數交流/直流電源供應商也提供定制服務(wù)，他們能夠按照特定要求修改標準電源，同時(shí)滿(mǎn)足許多技術(shù)和法規要求。 從開(kāi)放式實(shí)現開(kāi)始 開(kāi)放式電源是業(yè)界對純板結構的稱(chēng)呼，它作為一個(gè)單一、完整的組件發(fā)揮作用，如 LCE80 系列中的那些電源（圖 1）。它們直接安裝到終端設備應用中，由終端產(chǎn)品為電源提供物理和電氣外殼保護。開(kāi)放式電源安裝靈活、性能優(yōu)異，符合監管標準和規定，是高性?xún)r(jià)比的解決方案，能夠讓設計團隊專(zhuān)注于系統設計的其余部分及其差異化。 
圖 1：LCE80 系列 80 瓦開(kāi)放式電源將所有需要的元器件安裝在一塊 PC 板上。（圖片來(lái)源：XP Power） 開(kāi)放式電源與另一種廣泛使用的交流/直流電源不同，后者稱(chēng)為 U 型槽，電源電路板安裝在通常由鋁制成的 U 型底架中（圖 2）。例如 XP Power 的 VCS100US12 100 瓦電源。底架還為設備制造商提供多種選擇，以將電源安裝到最終組件中，并且通常包括一個(gè)可拆卸的蓋子，以提供電氣和物理保護，并帶有空氣流通孔。
圖 2：100 瓦 VCS100US12 U 型槽電源包括一個(gè)可拆卸保護罩。（圖片來(lái)源：XP Power） 盡管開(kāi)放式電源完整且隨時(shí)可以使用的，但仍要注意電氣安全/監管問(wèn)題、熱性能和限制以及安裝和電磁兼容性 (EMC)。 電氣安全/法規合規：開(kāi)放式電源用戶(hù)必須了解間隙和爬電要求。間隙是兩個(gè)導電部件之間在空氣中的最短距離，而爬電距離是指兩個(gè)導電部件之間沿固體絕緣材料表面的最短距離（圖 3）。這兩個(gè)因素所需的最小值是電源電壓以及工作條件的函數，工作條件如預期的污染，包括高壓節點(diǎn)周?chē)諝庵谢蚋邏汗濣c(diǎn)間表面上的灰塵、水分和其他微粒物質(zhì)。
圖 3：電路板設計必須滿(mǎn)足最小間隙（兩個(gè)導電部件之間在空氣中的最短距離）和爬電（兩個(gè)導電部件之間沿固體絕緣材料表面的最短距離）距離要求。（圖片來(lái)源：Altium Limited） 根據最終應用，電源也被分為幾個(gè) IEC 分類(lèi)： · I 類(lèi)：用戶(hù)的電擊保護是通過(guò)絕緣和保護接地的組合來(lái)實(shí)現的。 · II 類(lèi)：通過(guò)兩級絕緣（雙層或增強）實(shí)現用戶(hù)電擊保護 I 類(lèi)系統要求任何接地的金屬部分和電源的任何初級部分之間有三或四毫米 (mm) 的距離，具體取決于最終應用是工業(yè)領(lǐng)域還是醫療領(lǐng)域。這可能需要在開(kāi)放式電源組件周?chē)黾咏^緣子；II 類(lèi)電源可能需要更大的爬電和間隙距離。 當使用 I 類(lèi)電源時(shí)，與電源的安全地線(xiàn)連接是電氣系統的一個(gè)組成部分，它必須與設備的安全地線(xiàn)牢固連接。另外，可能有不止一個(gè)必需的接地需連接到該組件上，這影響到電輻射和敏感性性能（下文進(jìn)一步討論）。 開(kāi)放式和 U 型槽電源都包括一個(gè)整體保險絲；對于醫療設備應用，需要兩個(gè)保險絲。 保險絲通常是永久性地安裝在電源中，并不是為現場(chǎng)更換而設計的，因為保險絲激活（斷開(kāi)）的唯一原因是電源出現故障，在再次使用該系統之前必須進(jìn)行維修或更換。還可能對系統級熔斷有額外的要求，以保護互連電纜和連接的問(wèn)題，以及與電源無(wú)關(guān)的其他電路。 熱管理和降額：熱量是所有電子系統中眾所周知的問(wèn)題，因為它是導致元件疲勞和應力引起的故障的主要原因，包括熱循環(huán)引起的斷裂。無(wú)論電源的具體電壓和電流額定值如何，設計者主要關(guān)注的是電源提供的總功率（瓦特）。 供應商通常為一個(gè)特定的最大額定功率設計一個(gè)系列電源，然后設置電壓和電流配對來(lái)匹配。例如，XP Power LCE80 系列的所有單元的額定功率為 80 W，最低電壓?jiǎn)卧?LCE80PS05 在最高 12 A 時(shí)提供 5 伏電壓，而最高電壓的 LCE80PS54 在最高 1.48 A 時(shí)提供 54 伏電壓。之間更有八個(gè)輸出選擇：12 伏、15 伏、20 伏、24 伏、30 伏、36 伏、42 伏和 48 伏。 這些電源在 90 至 305 伏交流輸入電壓范圍內工作，即使在 90 伏的低壓線(xiàn)路下也能實(shí)現滿(mǎn)負荷功率。效率接近 90%，這意味著(zhù)只有 8W 被電源耗散；其余 72W 可用于系統需求。所有系列成員的尺寸均為 101.6 mm × 50.8 mm × 27.9 mm。工作溫度范圍為 -40°C 至 +70°C，在 -30°C（高交流線(xiàn)下為 -40°C）至 +50°C 的范圍內可獲得全功率。根據 MIL-HDBK-217F 標準，計算的平均故障間隔時(shí)間 (MTBF) 為 30 萬(wàn)小時(shí)。 該系列的所有設備都符合許多相關(guān)的監管標準，包括（但不限于）EN55032 B 類(lèi)的傳導和輻射發(fā)射；EN55035、EN61547 和 EN61000-4-2/3/4/5/6/8/11 的 EMC 抗擾度；EN61000-3-2 諧波電流 C 類(lèi)的 50W 負載及以上。安全認證包括 CB IEC62368-1 (ITE)、IEC60950-1 (ITE)、UL62368-1 (ITE)、TUV EN62368-1 (ITE)、EN61347（照明）和 UL8750（照明）。 任何供應的效率都是至關(guān)重要的，因為它決定了如何管理產(chǎn)生的熱量。開(kāi)放式電源可以使用被動(dòng)對流、主動(dòng)強制空氣（風(fēng)扇）或兩者相結合的方式進(jìn)行冷卻。許多設計師傾向于選擇那些被指定為僅使用被動(dòng)空氣冷卻而不使用風(fēng)扇的電源，原因有很多，包括： · 它節省了直接 BOM 成本，減少了產(chǎn)品組裝時(shí)間。 · 它消除了一個(gè)潛在的故障源——風(fēng)扇；而風(fēng)扇將產(chǎn)生連鎖反應，誘發(fā)過(guò)熱并大大縮短電源的使用壽命。 · 它避免了與風(fēng)扇速度和操作管理有關(guān)的問(wèn)題，通常是基于對環(huán)境溫度的感應。 · 它顯得更安靜，在許多情況下這是一個(gè)重要因素。 · 它避免了終端用戶(hù)無(wú)意中因堵塞風(fēng)扇入口或出口而造成過(guò)熱問(wèn)題。 簡(jiǎn)而言之，消除對風(fēng)扇的需求大大增強了整個(gè)系統的可靠性，簡(jiǎn)化了機械設計，并降低了成本。為了不采用風(fēng)扇，設計人員有必要查看電源規格書(shū)，以了解是否需要強制空氣來(lái)滿(mǎn)足所述規格，或者是否僅靠被動(dòng)對流就足夠了。 這種檢查包括檢查供應商保證所有規格性能的最高溫度，以及降額曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)定義了超過(guò)閾值溫度后輸出功率下降的程度。一個(gè)設計良好的電源可以在 50⁰C 的環(huán)境溫度以及低至 90 伏的交流輸入下保持額定功率輸出。相比之下，一些產(chǎn)品宣傳的是“招牌”額定功率，但在低交流線(xiàn)路電壓下會(huì )迅速降額達 20%，并在低至 40⁰C 的環(huán)境溫度時(shí)就開(kāi)始降額。對于 LCE80 系列，在 50⁰C 以?xún)缺ＷC全部性能，在最高溫度 70⁰C 時(shí)線(xiàn)性降額至 50%（圖 4）。
圖 4：LCE80 系列的降額曲線(xiàn)顯示，這些電源在 50⁰C 下保持 80W 的額定性能，然后在 70⁰C 的最高工作溫度下降低 50%，達 40W。（圖片來(lái)源：XP Power） 安裝位置、方向、周?chē)捎每臻g、應用負載和周?chē)考�，以及任何空氣冷卻，對每個(gè)應用都是獨特的。重要的是要在開(kāi)放式電源處建立模型并測量溫度，而不是在系統外殼的其他地方，因為可能存在廣泛的、高度局部化的差異。 確定電源的估計使用壽命的一個(gè)關(guān)鍵因素是基于關(guān)鍵電解電容器溫度的使用壽命曲線(xiàn)，這是唯一具有磨損機制的零件。所有電解電容器壽命的計算都是基于阿倫紐斯方程，溫度每增加 10 攝氏度，反應速度就會(huì )增加一倍，因此壽命也會(huì )減少一半（圖 5）。通過(guò)測量元件外殼溫度，并將阿倫尼烏斯方程應用于指定的溫度和設計壽命，可以很好地指示使用壽命。
圖 5：兩個(gè)典型的電解電容器的熱降額曲線(xiàn)顯示，根據阿倫紐斯方程（右），溫度每上升 10⁰C，其壽命就會(huì )減半。（圖片來(lái)源：XP Power） 電磁兼容性問(wèn)題：開(kāi)放式電源通常需要兩個(gè)，有時(shí)是三個(gè)安裝點(diǎn)與地線(xiàn)相連以滿(mǎn)足標準要求。在 I 類(lèi)系統中，其中一個(gè)連接需要安全接地，位于組件的輸入側。這個(gè)連接也將連接線(xiàn)對地和中性線(xiàn)對地的共模濾波電容器，也稱(chēng)為 Y 電容器（圖 6）。
圖 6：Y 電容器起的是共模濾波器的作用，用于電源的輸入側，將線(xiàn)路和中性線(xiàn)連接到地。（圖片來(lái)源：www.blogranya.blogspot.com） 這些電容器與電源中的共模電感器一起工作，以削弱與電源的功率級中電壓快速變化有關(guān)的噪聲。這些輸出共模電容對電源的 EMC 性能至關(guān)重要，必須連接起來(lái)以獲得最佳的 EMC 性能。 有必要將這些點(diǎn)連接在一起，以確保符合開(kāi)放式電源的 EMC 標準。需要連接到接地或連接在一起的點(diǎn)通常在電源規格書(shū)中會(huì )有說(shuō)明，連接這些點(diǎn)的最佳方式是將電源安裝在接地的金屬板上（圖 7）。
圖 7：圖上標有接地符號的安裝孔，在 I 類(lèi)應用中必須連接到安全接地，在 II 類(lèi)應用中必須連接在一起 。（圖片來(lái)源：XP Power） 這個(gè)板子不需要連接到其他任何東西，因為它的功能就是為濾波電容器連接到接地提供一個(gè)具有低寄生元件的低阻路徑。標有接地符號的安裝孔在 I 類(lèi)應用中必須連接到安全接地，在 II 類(lèi)應用中必須連接到一起。 作為一般準則，電源的所有輸入和輸出電纜應保持分開(kāi)，并避免接近開(kāi)放組件。這最大限度地減少了潛在問(wèn)題，即電源內產(chǎn)生的電磁輻射導致傳導和輻射排放進(jìn)入終端設備。 結語(yǔ) 通過(guò)集中使用具有不同電壓/電流額定值的單一系列開(kāi)放式電源，設計師可以縮短并增強其設計導入過(guò)程，同時(shí)保持所有其他因素不變。這樣就簡(jiǎn)化了安裝、接地、EMC 和熱分析、降額考慮、性能包絡(luò )計算、物理連接和布線(xiàn)。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Bill Schweber |
