Выбор встроенного источника питания

Очень часто возникает потребность в выборе внутреннего источника питания постоянного и переменного тока для конечного продукта в диапазоне от нескольких до нескольких сотен ватт. На нижнем уровне альтернативой может быть внешний источник питания или «адаптер», но при мощности выше примерно 100 Вт нормально выбирать встроенный продукт в качестве приобретаемого модуля, возможно, установленного на шасси или на печатной плате. Храбрецы могут даже подумать о собственном дизайне, особенно если требуемые характеристики нестандартны.

Почему внутренний?

Давайте сначала рассмотрим, почему можно выбрать внутренний источник питания. Что касается коммерческих продуктов, потребители не любят громоздкие линейные «адаптеры», но тогда при малой мощности «стенная бородавка» не является большой проблемой, и по мере развития технологий из меньших корпусов выжимается больше энергии, в той степени, в которой адаптер едва ли больше, чем сам сетевой штекер. Использование внешнего источника питания также доставляет удовольствие разработчику продукта - опасное напряжение поддерживается снаружи, что значительно упрощает сертификацию безопасности конечного продукта.

Недостатком является то, что длина кабеля от адаптера до продукта снижает напряжение, что, возможно, требует дополнительных регуляторов в продукте, и обычно нет возможности для «умного» управления источником питания, такого как выключение в «спящий» режим или динамическая регулировка. выходного напряжения. Другая проблема заключается в том, что полное соответствие стандартам EMI по-прежнему является обязанностью производителя конечного продукта, поэтому адаптер с его производственной изменчивостью и неопределенной прокладкой кабеля должен быть включен в тестирование EMC и может давать противоречивые результаты. По этой причине небезызвестно, что линейные адаптеры устанавливаются внутри конечных продуктов для обеспечения большей безопасности и соответствия требованиям по электромагнитным помехам.

При более высоких мощностях или когда важны управление и функциональность, предпочтение отдается внутреннему источнику питания или источнику питания «оборудования». Решение следует принимать как можно раньше в процессе разработки продукта, поскольку системные инженеры-энергетики часто (и часто оправданно) жалуются на то, что им приходится использовать встроенный источник питания, который помещается «в любое оставшееся пространство». Это может привести к снижению стоимости и производительности и, в худшем случае, к необходимости индивидуального решения с соответствующими задержками и рисками.

Безопасность, электромагнитная совместимость и соблюдение экологических требований - превыше всего

Встроенный блок питания должен обеспечивать необходимое напряжение и ток, но есть много других соображений. Возможно, наиболее важными из них являются безопасность, электромагнитная совместимость и соблюдение экологических требований. Конечное использование продукта является здесь ориентиром; различные стандарты применяются для целого ряда приложений:например, в промышленности, быту, тестировании и измерениях, в медицине и автоматизации зданий. Если продукт будет использоваться в специализированных областях, таких как железнодорожный или военный сектор, стандарты снова будут другими. Даже в пределах области применения есть различия - например, среда пациента или оператора в медицине.

Тенденция состоит в том, чтобы новые стандарты безопасности были «основаны на опасностях», что обязывает производителя дополнительно учитывать, как его продукт может быть использован неправильно; Выбор внутреннего источника питания, по крайней мере, гарантирует, что неподходящий адаптер не будет заменен. Выбор правильных сертификатов чрезвычайно важен и сложен, но уважаемые поставщики источников питания часто могут помочь, если нет опытного штатного специалиста по соблюдению нормативных требований.

Следующим фактором, вероятно, будет механика, не только форма и размер, но также разъемы и устройства охлаждения. Источники питания «открытого типа» популярны и недороги, часто с дополнительными крышками, которые необходимы, если ожидается, что технический специалист будет иметь внутренний доступ к продукту, когда он находится под напряжением. Другой альтернативой является формат DIN-рейки, который часто используется в монтажных панелях (рис. 1).

Рис. 1. Типовые варианты внутреннего источника питания переменного и постоянного тока. (Исходный НПИ)

Внутренние блоки питания обычно имеют винтовые клеммы или вставные разъемы для входа и выхода переменного тока, как правило, в стиле «Molex ™». В этом случае кабели, клеммы, предохранители, переключатели и любые разъемы шасси должны иметь соответствующие характеристики и сертифицированы для применения. Помехи могут возникать на входных кабелях переменного тока, внешних по отношению к источнику питания, но внутренних по отношению к продукту, поэтому тесты на электромагнитные помехи могут показать, что рядом с входом питания требуется дополнительный установленный на шасси сертифицированный фильтр.

Особого внимания требует заземление; Если разъем модуля источника питания отключен внутри продукта, все равно должно быть отдельное заземление для шасси оборудования на входе на случай отсоединения токоведущего провода. Как правило, все заземляющие соединения не должны быть «подключаемыми», если отсоединение разъема не приводит к одновременному и полному отключению токоведущих соединений от продукта. Если это не так, заземление должно осуществляться с помощью «постоянного» крепления, которое можно ослабить только с помощью инструмента, включая стопорную шайбу или другой антивибрационный метод. Цветовая кодировка и калибр проводки, конечно, должны соответствовать применяемым стандартам безопасности, при необходимости с разгрузкой кабеля от натяжения.

Входной предохранитель для внутренних блоков питания следует выбирать точно

Внутренние источники питания с проводными подключениями переменного тока к разъему шасси должны иметь подходящий одинарный или двойной предохранитель на входе, в зависимости от ситуации. Помните, что предохранитель переменного тока конечного продукта защищает входные кабели и соединения, а не внутренний источник питания, от коротких замыканий и перегрузок. Конечно, он должен пропускать нормальный рабочий ток с некоторым запасом на бросок тока, но он также должен быть рассчитан так, чтобы внешние кабели переменного тока, ведущие к конечному продукту, не перегружались до срабатывания предохранителя после короткого замыкания на землю между разъемом шасси и источником питания. поставка. Даже если внешний кабель рассчитан на очень высокие токи, предохранитель должен иметь меньшее значение размыкания, чем любой предшествующий плавкий предохранитель или прерыватель, чтобы избежать неисправности, вызывающей отключение нескольких цепей, то есть правильная `` координация '' предохранителей - критическая проблема. в профессиональной среде (рис. 2).

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 2. Значения предохранителей в системе должны быть «согласованы»:значение Предохранитель 1> Предохранитель 2> Предохранитель 3 (исходный НПИ)

Взятые вместе, обсуждаемые соображения по подключению переменного тока влияют на выбор внутреннего источника питания, при этом самый дешевый тип открытого корпуса не обязательно дает самую дешевую общую стоимость системы, если он имеет только минимальное соответствие ЭМС и требуется дополнительная фильтрация.

Способ охлаждения зависит от типа источника питания

Важны соображения охлаждения; внутренние источники питания могут иметь вентилятор, естественную конвекцию или охлаждение на опорной плите, выбор зависит от конечного продукта и его применения. Вентиляторы могут быть исключены в некоторых средах, таких как медицина, из-за шума или в приложениях, где замена будет затруднена, но блоки питания с вентиляторным охлаждением, как правило, будут меньше, чем другие типы. Если выбрана система подачи с вентиляторным охлаждением, необходимо тщательно определить пути впуска и выпуска воздуха, чтобы избежать «мертвых зон» для воздуха, особенно если в системе работают другие вентиляторы. Такие производители, как CUI, предоставляют рекомендуемые направления воздушного потока и размеры вентиляторов в технических характеристиках своей продукции; это следует учитывать при проектировании источника питания в системе (рисунок 3).

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 3. Следует учитывать рекомендации по размеру, направлению и расстоянию вентилятора, чтобы избежать «мертвых зон» для воздуха. (Исходный НПИ)

Источники питания с конвекционным охлаждением чувствительны к ориентации и должны располагаться с учетом других тепловыделяющих компонентов, чтобы избежать взаимного перегрева. Производители не могут предсказать расположение конечного продукта, поэтому будут оценивать источники питания по «рабочей» температуре окружающей среды. Это «местная» окружающая среда внутри корпуса конечного продукта, которая может быть значительно выше, чем внешняя температура, и ее можно будет точно узнать только путем моделирования и / или измерения в полной системе при определенных условиях нагрузки.

Для герметичных корпусов также доступны источники с охлаждением на опорной плите, которые исключают неопределенность пути теплового потока. Однако должна быть доступна плоская «холодная стена» с несколькими креплениями к источнику питания. Еще одна возможность - возможно, потребуется использовать термопасту на границе с силиконовой пленкой для теплопередачи.

При определении размеров блоков питания и требований к их охлаждению стоит проверить, какая постоянная и пиковая мощность требуется. Иногда можно использовать более дешевый источник питания меньшего размера, если он имеет высокую импульсную мощность и нагрузка неустойчивая.

Эксперты помогут вам сделать выбор

Доступен широкий выбор внутренних источников питания, и выбор наилучшего варианта зависит от многих факторов. Для минимальных затрат и рисков тип источника питания следует определять как можно раньше с должным учетом соответствия стандартам, области применения, охлаждающей среды и простоты интеграции в кабели и механику конечного продукта.

---

Рон Стулл является инженером по энергетическим системам в CUI Inc. С момента присоединения к CUI в 2009 году Рон накопил широкий спектр знаний и опыта в области аналоговой и цифровой энергетики, а также преобразования мощности постоянного и переменного тока. Он сыграл ключевую роль. в группе инженеров CUI, в обязанности которой входит поддержка приложений, тестирование и проверка, а также проектирование. Помимо энергетики, Рон играет на гитаре, бегает и путешествует с женой на природе, где их цель - посетить все национальные парки США.

---

Связанное содержание:

• Выбор внешнего источника питания
• Как USB Type-C может уменьшить путаницу с адаптерами питания потребителей и сократить глобальные электронные отходы
• Объединение проводов питания и данных, часть 1
• USB Type-C и подача питания 101 - протокол подачи питания
• Использование проводных соединений для передачи данных для питания требовательных устройств IoT.
• Решение проблем, связанных с проектированием беспроводной сети в автомобиле.

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.