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來(lái)源：Digikey 作者：Bill Schweber 隨著(zhù)電子設備數量的激增，惡劣環(huán)境下的功率器件和 AC/DC 轉換器模塊的設計人員面臨著(zhù)日益嚴苛的性能、環(huán)境和封裝要求。雖然連接線(xiàn)路的電源轉換器模塊的作用沒(méi)有發(fā)生根本改變，但要使其能在現場(chǎng)充分發(fā)揮作用，還需要投入更多的工作。 首先是冷卻問(wèn)題，因為即使是高效電源也會(huì )發(fā)熱。然后，設計人員必須考慮系統層面的電氣和外形要求。最后，轉換器必須能夠簡(jiǎn)化設計導入，能夠保護轉換器、用戶(hù)和負載不受不利因素的影響。 本文將簡(jiǎn)要探討針對惡劣環(huán)境的電源系統設計人員所面臨的挑戰。然后介紹 Advanced Energy 的 504 W 接觸傳導冷卻式 AC/DC 轉換器系列，并說(shuō)明該系列轉換器如何克服這些挑戰。 攻克冷卻難題，從這里開(kāi)始 除了極少數例外情況外，將 AC/DC 轉換器集成到系統中時(shí)，設計人員還必須確定如何散熱。盡管現代轉換器的效率相對較高，通�？蛇_ 80% 至 90% 或更高，但仍會(huì )發(fā)熱，因此必須進(jìn)行散熱以確保電源不會(huì )過(guò)熱，避免影響性能和可靠性。 根據熱物理學(xué)，有三種散熱方式（圖 1）： 1、傳導：通過(guò)固體表面與固體表面的直接接觸進(jìn)行散熱 2、對流：通過(guò)移動(dòng)的流體散熱，其中流體可以是空氣或液體 3、輻射：以電磁能的形式散熱（主要是紅外線(xiàn)），可在真空中發(fā)生 
圖 1：熱能可通過(guò)傳導、對流或輻射的方式消散。（圖片來(lái)源：Nuclear Power） 輻射冷卻只能傳遞相對較少的熱量，因此，通常情況下不適用于電子系統。然而，對于只能將熱量擴散到真空中的航天器來(lái)說(shuō)，輻射是至關(guān)重要的冷卻方式。 大多數設計者更傾向于使用非強制（自然）或強制風(fēng)冷（風(fēng)扇）的冷卻策略。在這些冷卻策略下，空氣通過(guò)轉換器的開(kāi)口和通風(fēng)口進(jìn)入。這些冷卻方法的成本相對較低，也易于評估。 然而，對流冷卻方法在許多實(shí)際裝置中并不可行。轉換器必須安裝在應用的密封外殼 (IP) 內，以完全防水、防雨、防塵并防止其他污染物。此外，大多數標準轉換器的物理布局或包裝都不適合傳導冷卻。 如果只能通過(guò)從轉換器外殼到鄰近表面的熱傳導來(lái)進(jìn)行冷卻，則需要采用不同的設計。這通常被稱(chēng)為接觸式冷卻或冷壁式冷卻。Advanced Energy 的 Artesyn AIF500 電源轉換器系列的封裝設計（圖 2），堪稱(chēng)這種冷卻方法的典范應用。
圖 2：Artesyn AIF500 電源轉換器采用接觸或冷壁冷卻方式。（圖片來(lái)源：Advanced Energy） 該器件外形扁平，安裝在印刷電路 (PC) 板上。該器件采用行業(yè)標準全磚基板封裝，外形尺寸為 4.6×2.4 in. (116.84 × 60.96 mm)，高度 0.55 in. (13.95 mm)，重 9.2 盎司 (260 g)。 這些器件主要為滿(mǎn)足 5G 電信應用的遠程射頻頭射頻電源的要求而設計，還適用于顯示器和工業(yè)應用。這些器件的平均故障間隔時(shí)間 (MTBF) 超過(guò)一百萬(wàn)小時(shí)。 這種模塊采用基板接觸冷卻設計（圖 3），可在 -40°C 至 +100°C 的寬基板溫度范圍內提供滿(mǎn)載額定功率。
圖 3：AIF500 模塊通過(guò)其底板與較冷表面直接接觸，進(jìn)行傳導冷卻。（圖片來(lái)源：Advanced Energy） 選擇電源轉換器 任何電源轉換器的選擇都以其核心性能要求為出發(fā)點(diǎn)，其中包括，在輸入電壓穩態(tài)變化、電壓瞬變、負載需求波動(dòng)以及環(huán)境溫度變化的情況下，仍能為負載提供穩定的輸出電壓。 全封裝 AIF500 器件的工作電壓為 90 VAC 至 264 VAC�？蛇x項包括 AIF42BAC-01N（提供固定 12 V/42 A 輸出）或 AIF11WAC-01N（48 V/10.5 A 輸出）。從啟動(dòng)到全輸出的時(shí)間為 3.5 秒 (s)，這是許多應用的重要參數；同時(shí)，線(xiàn)路調節為 ±0.2%，負載調節為 ±4%。 除了寬范圍交流線(xiàn)路輸入和穩壓直流輸出外，AIF500 轉換器還集成了欠壓鎖定 (UVLO)、過(guò)壓保護 (OVP) 和過(guò)流保護 (OCP) 等保護功能。內部浪涌限流最大限度地減少了為防止啟動(dòng)電流浪涌造成損壞而采用的外部電路。 此外，這些轉換器還獲得了認證，符合相關(guān) EN、UL、加拿大 UL、IEC 和 EN 62368-1 安全標準的要求，并帶有 CE 和 UKCA 安全標志。這些轉換器之所以能獲得這些認證，部分原因在于它們具有 4,000 VDC 輸入到輸出、2,500 VDC 輸入到基板以及 100 VDC 輸出到基板的額定隔離電壓。 根據法規要求和良好的工程實(shí)踐，這類(lèi)器件必須將熱負荷降至最低，以實(shí)現高效運行。在半額定輸出功率或更高功率下工作時(shí)，這些轉換器的效率可達 90% 以上。例如，在 230 VAC 線(xiàn)路輸入下運行的 12 V 器件，輸出功率為 300 W 或更高時(shí)，其效率高于 93%（圖 4）。輸出功率超過(guò) 300 W 時(shí)，功率因數 (PF) 將高于 0.99，超過(guò)了法規要求。
圖 4：AIF500 在超過(guò)額定負荷一半的條件下工作時(shí)，其功率轉換效率會(huì )高于 90%，從而減少了熱耗散并符合法規要求。（圖片來(lái)源：Advanced Energy） 添加系統級特性和功能 除了兩根交流輸入線(xiàn)、兩根直流輸出線(xiàn)和兩根遠程檢測線(xiàn)外，當今的轉換器還必須具有其它功能。轉換器還必須在系統層面上集成更多的連接和功能。 例如，AIF500 轉換器有一個(gè)直接的單線(xiàn)“設備良好”輸出和一個(gè)用于遠程啟用的 TTL 電平輸入。未啟用時(shí)，其待機功耗為 5 W。這些報告和控制信號只是連接的起點(diǎn)，因為轉換器還包括一個(gè) PMBus 接口。 其他功能包括始終保持接通的固定電壓輔助輸出（8 VDC 至 11 VDC，250 mA），可支持小型關(guān)鍵負載。 單模塊轉換器配置只需要一個(gè)外部電磁干擾 (EMI) 濾波器、一個(gè)保持電容器和一個(gè)輸出電容器。 當單個(gè) AIF500 模塊的輸出電流無(wú)法滿(mǎn)足應用需求時(shí)，該系列模塊支持主動(dòng)均流技術(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)單的模塊間直連即可將單模塊配置擴展至最多 10 個(gè)并聯(lián)模塊（圖 5）。這種并聯(lián)輸出布局只需為第二個(gè)模塊（以及每個(gè)附件模塊）添加保持電容器和輸出電容器，無(wú)需其他元器件。
圖 5：?jiǎn)蝹�(gè) AIF500 模塊僅需增加幾個(gè)外部元件即可運行（上圖）；如果需要更大的輸出電流，最多可并聯(lián) 10 個(gè)（下圖）。(圖片來(lái)源：Advanced Energy） PMBus 支持使用圖形化用戶(hù)界面 (GUI)。在開(kāi)發(fā)階段和應用部署期間，GUI 可為設計人員簡(jiǎn)化一個(gè)或多個(gè)模塊的控制和監控工作。通過(guò) GUI，設計人員能夠深入了解電壓、電流以及關(guān)鍵運行指標和物理點(diǎn)的狀態(tài)。 結語(yǔ) 堅固耐用型 AC/DC 轉換器首先要設計可靠，但實(shí)現充分冷卻始終是難點(diǎn)，在暴露式安裝的情況下尤為突出。全封閉式 Artesyn AIF500 系列轉換器采用接觸式冷卻，其底板溫度最高可達 +100°C。這些設備性能優(yōu)異，提供 PMBus 接口等附加功能和特性，使其能夠用作系統級轉換器，并非僅作為基礎穩壓電源。 |
