Выбор внешнего источника питания

Выбор источника питания переменного / постоянного тока может оказаться непростой задачей. Должен он быть внутренним или внешним? Будет ли он соответствовать требованиям, если мой продукт будет доставлен в другие регионы мира? Нужен ли моему медицинскому продукту источник питания, соответствующий стандартам медицинской безопасности? Это лишь некоторые из вопросов, которые могут задать инженеры, сосредотачивая свои усилия на аспектах источника питания в конструкции своего нового продукта.

Определение типа необходимого источника питания

Решение о выборе внешнего источника питания переменного / постоянного тока может быть связано с практическими ограничениями пространства внутри продукта. В зависимости от требований к питанию внутренние блоки питания могут занимать ценное пространство, делая конечный продукт излишне крупнее, чем это необходимо, по сравнению с другими конструкциями, представленными на рынке. Площадь, занимаемая продуктом, имеет решающее значение для многих потребителей, особенно когда он может находиться на столешнице или рядом с мультимедийной системой. Выбор внешнего источника питания, будь то настольный блок питания или розетка (рис. 1), может быть разумным выбором по некоторым практическим причинам, поскольку он позволяет сохранить конечный продукт как можно меньше.

Рис. 1. Семейство продуктов SWI компании CUI предлагает компактное, эффективное и экономичное решение для настенных адаптеров переменного и постоянного тока (Source CUI)

Настенные розетки обычно подходят для продуктов, которым требуется источник постоянного тока от нескольких до примерно 50 Вт. Для чего-то большего потребуется настольный компьютер (рис. 2).

Рис. 2. SDI160G-U и SDI160G-UD обеспечивают постоянную мощность 160 Вт и соответствуют требованиям UL / EN / IEC 62368-1 (исходный CUI)

Для удобства многие дизайнеры предпочитают питать свой продукт от стандартного источника питания 5 В постоянного тока, поэтому выбор настенной розетки со стандартной розеткой USB-A является простым выбором для продуктов, потребляющих до 2 ампер. Точно так же разработка вашего продукта для работы с популярными номинальными напряжениями 12 В постоянного тока, 15 В постоянного тока или 24 В постоянного тока упрощает выбор, поскольку большинство производителей предоставляют стандартные единицы для этих напряжений. Кроме того, какой тип входной розетки вы собираетесь использовать в своем продукте? Доступен ли он в стандартной комплектации или за дополнительную плату от производителя блока питания? Не забудьте проверить требования к пиковой мощности вашей конструкции, так как именно от них будет зависеть, какой адаптер вам нужно выбрать. Выбор устройства, не обеспечивающего достаточной пиковой выходной мощности, особенно устройства с индуктивной нагрузкой, например двигателя, может привести к перегреву источника питания, вызывая ненужную нагрузку на компоненты и снижая надежность продукта.

Сравните свои требования с техническими характеристиками

Обязательно внимательно изучите таблицы потенциальных источников питания, поскольку некоторые факторы могут быть не так очевидны, как выходное напряжение и номинальный ток.

Многие источники питания с настенной розеткой обеспечивают выход постоянного тока, плавающий относительно земли. Эти блоки питания, называемые классом II, не обеспечивают доступа к защитному заземлению, для этого вам понадобится блок питания класса I, и это, как правило, настольные блоки.

Другие технические характеристики, которые следует проверить в таблице данных, включают регулирование линии, пульсации и шум, функции защиты и разрешения.

Регулирование дает меру того, насколько близко источник питания может поддерживать свое выходное напряжение по сравнению с заявленным номинальным выходом. Адекватное регулирование может составлять +/- 10%, но если ваше приложение чувствительно к изменениям входного напряжения, эта функция требует дальнейшего рассмотрения. Для номинального выхода 12 В постоянного тока регулировка +/- 10% означает, что выходное напряжение может находиться в диапазоне от 10,8 до 13,2 В постоянного тока. Пульсация и шум обычно присутствуют на выходе постоянного тока, и, опять же, чувствительные встроенные схемы могут быть подвержены чрезмерному шуму в линиях электропередач. Использование дополнительных фильтрующих компонентов может помочь, но имейте в виду, что они увеличат ваши расходы на материалы и займут ценное место на печатной плате.

Просматривая электрические характеристики, проверьте, какие типы защиты имеются в стандартном блоке питания. Повышенное напряжение на выходе, перегрузка по току и перегрев являются популярными средствами защиты, но если ваш продукт может работать нестабильно, если входное напряжение упадет ниже заданного напряжения, требование блокировки при пониженном напряжении также может быть важным.

Стандарты безопасности и энергоэффективности

Сертификаты на источники питания включают аспекты безопасности, энергоэффективности и электромагнитной совместимости. Все следующие стандарты применимы не только к блоку питания, но и к подключенному к нему продукту в целом. Внутренний стандарт IEC-62368 устанавливает факторы безопасности, такие как максимально допустимые токи утечки и входное и выходное напряжение изоляции для коммерческого, IT- и AV-оборудования. На рисунке 3 показаны потенциальные угрозы безопасности и требования к испытаниям изоляции. Изоляция предотвращает прохождение опасного для жизни переменного тока сетевого напряжения на выход постоянного тока.

Рис. 3. Требования к тестированию изоляции для адаптера питания переменного / постоянного тока (исходный интерфейс CUI)

Стандарт IEC-62368 станет законом в декабре 2020 года, поскольку ранее был определен двумя стандартами IEC-60950 (IT-системы) и IEC-60065 (AV-оборудование). Этот стандарт безопасности также определяет минимальные расстояния, относящиеся к напряжениям в источнике питания, указанные в терминах утечки (путь по поверхности между двумя точками) и зазоров (расстояние прямого воздушного зазора). Любой источник питания, используемый для питания медицинских приборов, которые могут контактировать с пациентом, например тонометров, диагностического оборудования или оксиметров, должен соответствовать стандарту IEC 60601-1 4-го издания.

Энергоэффективность - важный аспект любого источника питания. Стандарты European Ecodesign 2019/1782 и Департамента энергетики США уровня VI устанавливают минимальные требования к средней активной эффективности; средний КПД, измеренный при нагрузке 25%, 50%, 75% и 100%. Экодизайн также требует документирования эффективности при 10% полной нагрузки. На Рисунке 4 показаны временные рамки развития стандартов энергоэффективности. У них также есть определенные ограничения на потребление энергии, когда нет нагрузки или конечный продукт находится в режиме ожидания.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 4. Хронология стандартов энергоэффективности (исходный CUI)

Энергоэффективность недавно повысилась благодаря достижениям в технологиях обработки полупроводников, причем карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN) оказались хорошо подходящими для приложений преобразования энергии.

Последний аспект разрешений касается того, насколько источник питания может быть подвержен влиянию внешних электромагнитных помех, а также если сам источник питания создает электромагнитные помехи выше допустимых уровней. Применяются стандарты FCC, часть 15, класс B, CISPR 32 и IEC 61204-3.

Выбор внешнего адаптера питания не должен быть ошибочной задачей. Тщательный анализ требований к источникам питания и тщательное сравнение характеристик таблицы могут значительно упростить проект.