使用AC-DC和DC-DC模块创建非标准电源
作者：TDK Lambda Americas营销总监Tom Tillman
AC-DC和DC-DC电源模块在大约30年前推出时，成为创建非标准或定制AC-DC和DC/DC电源的流行方法。与市场上现有的新产品相比，它们体积大，效率相对较低。它是主流电源制造商、定制产品设计师和内部电源工程师创建满足其确切需求的电源的一种相对快速和简单的方式。
 
更新的产品
近年来，随着大多数顶级制造商将研究重点放在更大容量、更高效率和更低成本的标准产品上，这种“板上钉钉”的趋势有所放缓。具有+5V、+/-12V和24V传统输出组合的多输出电源市场出现了单输出12V产品的趋势。这些12V产品使用成本较低的基于芯片的稳压器来产生其他电压。
 

图1：1000W板上砖解决方案
 
最近，多家制造商正在发布全新的电源模块设计。旧产品确实占用了宝贵的工程资源来采购替代组件。旧型号的低效率也变得有些难以忍受。前一代额定功率为1500W、输出电压为360V的TDK Lambda PF-A AC-DC电源模块的效率为95%，产生的损耗为79W。最近推出的PF1500B-360（图2）虽然有96.5%的效率，但只会消耗54W。通过降低损耗，可以将尺寸从19.5平方英寸减小到仅11平方英寸，从而减少PCB上的面积。
 

图2：PF1500B-360效率96.5%
更高功率的DC-DC模块也在推出，例如TDK Lambda 1200W额定全砖转换器。
请注意，模块的下侧是铝，这有助于将模块的废热消散到散热器或冷板上。
 
AC-DC和DC-DC电源模块设计
简化框图（图3）显示了驱动三个隔离DC-DC转换器的AC-DC电源模块。
 

图3：AC-DC电源模块框图
AC输入提供给AC-DC转换器模块，也称为PFC（功率因数校正）模块。360Vdc输出分配给能够在约200至420Vdc范围内工作的宽范围隔离DC-DC转换器。这些为低压负载（3.3Vdc至48Vdc）和非隔离DC-DC转换器提供电源。注意，PFC转换器是非隔离的，输入到输出（初级到次级）的隔离由DC-DC转换器执行。
对于单输出设计，现在有许多新的AC-DC电源模块可用，如PFH500F（图4）。这些具有工业用途所需的3000Vac一次至二次隔离。


图4：PFH500F 500W额定单输出AC-DC电源模块
 
使用AC-DC和DC-DC电源模块的优点
许多电源模块被封装以增强加固性，通常只有0.5英寸（12.7毫米）高。这使它们具有非常低的轮廓，使其适合于需要高冲击和振动的应用。CT（计算机断层扫描）机器旋转机架中的传统电源将受到高g力，可能导致机械故障。国防军和第一反应小组使用的大型便携式射频设备在运输到偏远地区时可能会受到冲击和振动。
低高度也是扩大规模、高分辨率视频标牌的一个好处，允许独立的细线显示。
工作温度范围通常非常宽，从-40℃到+100℃。这使得它们适用于密封外壳中的户外应用。
通过基板传导冷却模块的能力，使其能够在密封的室外外壳中使用，或用于可能导致早期现场故障的导电污染物环境。将电源模块安装在冷板上可以使用水冷，从而消除了对大型噪音风扇的需求。高水平的环境噪声会导致操作员疲劳和疲劳，长时间可能导致听力损失。
 
更高功率系统
大容量半导体测试需要10kW数量级的大量功率。制造商通常使用水冷来去除测试头的废热，而不是强制空气冷却。由高瓦数AC-DC电源供电的48V输入DC-DC转换器是一种常见的解决方案。这增加了设计的复杂性，因为10kW负载将需要AC-DC电源提供48V 200A。这需要从电源到DC-DC转换器的大型铜母线。
使用能够在360到380Vdc量级的更高电压下工作的DC-DC转换器将200A的电流降至可管理的28A。电线电缆和连接器可以处理这种电流水平，并为维修提供更方便的通道。TPF45000-385 45kW 19“机架安装电源是一个具有385V输出的示例，在DC-DC电源模块的200至425Vdc输入范围内。
许多国家正在测试和实施HVDC（高压直流），提供能够在380至400Vdc范围内运行的机械和LED照明。这消除了电源的整流阶段，节省了能源。更高的电压可以与太阳能电池板、风力发电和可充电电池结合使用，以提供成本更低、可靠的电源。
 
使用电源模块进行设计
尽管从材料清单来看，使用电源模块进行定制设计的成本更高，但应考虑从头开始开发电源的成本。电源模块是一个已知的实体，已在其全输入范围（从零到满负载）和整个温度范围内进行了测试。重要的是，它们已经通过了安全认证，减少了最终设计所需的时间和精力。
支持定制设计将需要从最初的生产到计划的衰落的多个组件来源。磁性材料可满足最低订购要求。安全认证可能需要升级，即使是广泛使用的IEC 62368-1标准。在从第1版过渡到第3版的几年里，正在考虑第4版。除了CE和UKCA标志外，还需要一系列环境报告，即RoHS、REACH、冲突矿产披露和电子废物回收。
 
应用提示
如果可能的话，购买或获取评估板的样品。这将有助于您确定印刷线路板的尺寸和布局。
为了符合EMI（电磁干扰），请使用高质量的多层pcb。然后可以建立地平面，从而显著地减小输入滤波的大小。
输入滤波器需要特殊的安全认证电容器，而不仅仅是普通的陶瓷电容器（即使在额定电压下看起来也可以）。X电容器（金属化薄膜）位于线路和中性点之间，Y电容器连接在L/N和接地之间。
一些AC输入电源模块使用内部具有热切断功能的陶瓷浪涌电阻器。向制造商征求建议。并非每个绕线电阻器都适用。
将电解电容器放置在远离高温区域的位置。外壳温度每升高10摄氏度，磁场寿命减半。
将聚酯输入波纹电容器放置在靠近电源模块的位置。
 
总结
在考虑电源模块设计时，除了在您的时区提供技术支持和可用的工程资源来审查您的电源系统设计外，重要的是找到一家能够与当地现场应用工程师面对面支持您的制造商。
请务必查看产品何时投放市场。在他们的网站上搜索制造商的新闻稿可以确定这一点。查看一些较旧的产品可能会显示供应商将其生产持续多久。
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