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設(shè)計板載AC-DC轉(zhuǎn)換器之挑戰(zhàn)

發(fā)布時間:2022-01-19 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】多年來,AC-DC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)變得更加高效,尺寸縮小,與電子設(shè)備小型化的總體趨勢相吻合。板載AC-DC遵循著相同的道路,但是隨著尺寸的減小和功率密度的增加,安全性和散熱等性能成了問題。 


反激設(shè)計通常用于低功率 


降低板載AC-DC的成本自然會導(dǎo)向器件數(shù)量最少的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。低于10W時一定會是一個「反激式」轉(zhuǎn)換器,具備集成功率晶體管和變壓器(更精準(zhǔn)地說是耦合電感),每路輸出帶有一個二極管和電容??刂艻C直接(初級側(cè)調(diào)節(jié))或間接(通過光耦合器進(jìn)行次級側(cè)調(diào)節(jié))對輸出電壓進(jìn)行采樣,以脈沖寬度或調(diào)頻,或兩者皆有的反饋施加到功率級。通常還有一些額外的濾波器組件將EMI降低到法定水平,而大電容可以為電源中斷的維持時間提供能量,如圖1所示。高壓交流電和輸出之間會形成隔離,隔離是由固體絕緣材料或通過空氣間隙來達(dá)成??缃釉诟綦x兩端的器件如變壓器或光耦,將構(gòu)成能提供足夠的隔離以滿足國際安全機構(gòu)的要求 


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圖1:典型低功率AC-DC轉(zhuǎn)換器之反激電路


簡單反激拓?fù)涞娜秉c就是內(nèi)部電壓可能很高,開關(guān)上的電壓通常為600V或更高,某些器件則承受高紋波電流。例如,輸出電容必須承受峰值紋波電流,該電流可能是直流輸出電流的1.5至2倍之高。高紋波電流會在電容的ESR中耗散功率并升高溫度。根據(jù)工作模式的不同,初級開關(guān)電流的峰值和均方根也可能大到令人驚訝。由于高壓開關(guān)具有相對較高的導(dǎo)通電阻,因此會降低效率,功率會在開關(guān)和AC電容中產(chǎn)生損耗。 


書籍和IC應(yīng)用筆記有大量的設(shè)計數(shù)據(jù),即使是新手也能夠為簡單的反激式轉(zhuǎn)換器選擇器件值,加上只要足夠了解高頻的PCB布局規(guī)則和變壓器的構(gòu)造就不難做出可用的產(chǎn)品。如果尺寸并非主要要求,安全間隙的要求就容易滿足,有足夠的空間讓空氣自由流動散熱。器件可以選擇較大的額定值以確保功能性和EMI性能。幾乎每個手機充電器都可以看到某種反激式拓?fù)?,因此縮小電子設(shè)備的體積絕對可行,但是這些產(chǎn)品是需要在有限的溫度范圍內(nèi)工作,例如0 – 40°C的家庭或辦公室環(huán)境。 


另一方面,當(dāng)空間和成本受到限制,或者AC-DC必須在其他設(shè)備內(nèi)部運行時就會變得極具挑戰(zhàn)。如果是工業(yè)級應(yīng)用,可能會有額外的間隙要求來應(yīng)對潮濕或骯臟的環(huán)境,以及要在-40°C到+75°C甚至更高的溫度變化中承受更高的瞬態(tài)過電壓。與商用產(chǎn)品相比,輸入電壓范圍可能更寬,同時也期待更高的可靠性和更長的使用壽命。此外,可能還需要考慮高海拔帶來安全性能間隙的影響。 


實際設(shè)計限制 


縮小尺寸的實際限制是最小的安全間距,例如IT和媒體設(shè)備的EN 62368-1以及家用電器的EN 60335-1標(biāo)準(zhǔn)要求輸入和輸出之間的最小間距為9mm,而250VAC系統(tǒng)中的最小間距為4mm。這是針對最惡劣的污染程度和材料類別的標(biāo)準(zhǔn),可以透過封裝設(shè)備、帶涂層的PCB以及具有相對漏電起痕指數(shù)(CTI)的材料來加以放寬,但它說明了「安全的」默認(rèn)爬電距離對爬電距離是25mm的轉(zhuǎn)換器來說沒有實質(zhì)意義。因此必須仔細(xì)設(shè)計以充分利用妥協(xié)規(guī)格,并通過在PCB上開槽或在關(guān)鍵組件上添加分隔器或絕緣帽套來確保規(guī)范的最小距離要求。 


爬電距離和電氣間隙的要求在變壓器中也面臨一些問題。大功率的大型變壓器可以在絕緣擋墻內(nèi)纏繞標(biāo)準(zhǔn)漆包線,以保證從初級到次級繞組的爬電距離達(dá)到6mm。低功率的變壓器,線軸的繞線寬度可能只有幾毫米,這顯然是不行的。解決方案是使用符合安全等級的三重絕緣線(TIW),該電線具有重疊的螺旋纏繞層,保證任何地方都至少有三層絕緣。然而形成EMI屏蔽仍是一個問題,有些設(shè)計使用TIW半圈絕緣層,其一端未端接但會經(jīng)過謹(jǐn)慎的絕緣處理。 


難以小型化的器件包括輸入中的大容量存能電容器。它有提供平滑直流總線電壓的功能,并在電源中斷期間提供「維持」所需的能量。常見的專業(yè)要求是從115V或230VAC的標(biāo)稱輸入電壓保持20ms的運行時間(一個主電源周期為50Hz)。例如,電容器在115VAC整流下所看到的電壓平均約為150V,電源頻率紋波約為20V。電源中斷時電容會放電,同時轉(zhuǎn)換器必須在輸入斷電的情況下持續(xù)運行20ms。實際上,轉(zhuǎn)換器可以在低至70V的電壓下工作,因此如果使用效率為75%的5W輸出轉(zhuǎn)換器,您可以計算出需要20ms的能量的電容能量損耗: 


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需要一個18pF的電容,該電容要在400V的額定電壓下獲得最高的AC輸入。鋁電解電容是最小的類型,即使高溫版本也只有約3cm3。適用于許多反激電路要有20ms的維持時間,經(jīng)驗法則是,對寬輸入范圍的最低要求為2μF/W,對230V標(biāo)稱電壓則為1μF/W。任何小于此的電容值都會使問題變得更糟因為紋波電壓反而會更大,從而減小了電壓裕度并導(dǎo)致輸出電壓驟降的電源故障。 


板載AC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的傳導(dǎo)EMI電平接近大功率產(chǎn)品,因為共模噪聲不會隨著功率變化,而是由于內(nèi)部dV/dt高電平通過雜散電容耦合而產(chǎn)生的,每個設(shè)計都會發(fā)生。因此簡單的低功率設(shè)計可能需要比轉(zhuǎn)換器本身更大的EMI濾波器才能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。控制IC設(shè)計人員使用諧振或半諧振拓?fù)浜图夹g(shù)(如頻率抖動)控制dV/dt來解決該問題,這個技術(shù)可以降低標(biāo)準(zhǔn)測量接收機帶寬中的平均EMI。板載AC-DC轉(zhuǎn)換器通常是一個沒有初級接地的Class II設(shè)備,但它們的輸出通常會在實際應(yīng)用中接地來為共模傳導(dǎo)噪聲提供路徑。初級到次級的Y電容有助于減少高頻干擾,但不能加到太大因為如果輸出未接地,危險的交流電流可能使用戶觸電。某些家用標(biāo)準(zhǔn)(例如EN 60335)要求非常低的電容值并且要串聯(lián)兩個Y電容以預(yù)防其中一個故障。在微型封裝內(nèi)安裝兩個串聯(lián)電容,同時每個電容在引腳之間都保留足夠的安全爬電距離是非常困難的,通常都讓使用者自行添加以符合EMC標(biāo)準(zhǔn)。 


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圖2:Class II應(yīng)用可能需要兩個 Y電容以達(dá)到EMI和安全標(biāo)準(zhǔn)


越來越多低功率AC-DC轉(zhuǎn)換器是由277VAC的標(biāo)稱電壓、305VAC的峰值供電。這是三相115VAC系統(tǒng)中的線與中性點之間電壓,常在美國和亞洲的大型建筑物中使用。與230VAC系統(tǒng)和更強的器件相比,更高的電壓需要更大的間距和更高的額定電壓器件。例如,大容量電容的最小額定值為450VDC。對小型轉(zhuǎn)換器來說這增加了空間問題。相同的零件要在480VAC(峰值525VAC)低至85VAC(100VAC系統(tǒng)的最小容限)的條件下工作,這讓要求更加嚴(yán)苛。高電壓和極端的輸入范圍增加了器件應(yīng)力和安全間距的難度,特別是當(dāng)規(guī)格要求小尺寸、低成本又高效的時候! 


運行海拔高度有時會被忽略;功率轉(zhuǎn)換器的電氣間隙標(biāo)準(zhǔn)通常設(shè)定在2000m。更高海拔的間隙會大幅增加。例如,根據(jù)EN 62368-1標(biāo)準(zhǔn)(圖3),在5000m的高度間隙要乘以1.48倍(這看似極端,但是全球有八個首都的海拔超過2000m)。此外,高海拔地區(qū)有許多肺科診所,因此高于2000m的情況很常見,而這增加了小空間設(shè)計的難度。 


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圖3:以海平面為基準(zhǔn)的電氣間隙和測試電壓修正系數(shù)(來源EN 62368-1)


用于PCB安裝的AC-DC應(yīng)該要跟其他電路板器件相同的環(huán)境下運行,通常無需任何特殊的散熱裝置。我們已經(jīng)得知高紋波帶來了高損耗,因此產(chǎn)品設(shè)計的重點是控制內(nèi)部溫度,在環(huán)境溫度內(nèi)盡可能提高功率。隨著外殼越來越小,有效的散熱面積也越來越少,讓問題更加復(fù)雜。 


模塊化解決方案 


RECOM接受了設(shè)計低成本、工業(yè)規(guī)格的板載AC-DC轉(zhuǎn)換器的挑戰(zhàn)。轉(zhuǎn)換器的系列規(guī)格為1W至30W,工作電壓至少為85VAC至264VAC。有些還包括305VAC。5W的產(chǎn)品,RA05-K/480的最高工作電壓為525VAC。轉(zhuǎn)換器可提供高達(dá)5000m的額定海拔高度,最低的工作溫度為-40°C,最高+90°C(降額)。行業(yè)領(lǐng)先的新3W轉(zhuǎn)換器的尺寸為22.5mm x 27.94mm x 18mm,20W版本也僅25.4mm x 50.8mm x 23mm。特別的是,該系列包括圓形封裝的3W、18W和30W。可用于標(biāo)準(zhǔn)、嵌入式、壁掛式安裝,其中超薄型3W部件僅11mm高。該系列中的所有部件均獲得EN 60950或EN 62368 ITE安全認(rèn)證,大多數(shù)有EN 60335家用電器認(rèn)證,而18W和30W圓形轉(zhuǎn)換器具有醫(yī)療認(rèn)證以及有線連接。圖4總結(jié)了系列規(guī)格。 


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圖4:RECOM板載AC-DC轉(zhuǎn)換器規(guī)格


參考文獻(xiàn) [1] RECOM: www.recom-power.com 


來源:RECOM



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