集成多输出 AC-DC 解决方案通常是需要高质量、可靠和小巧电源解决方案的应用的最佳选择

 
作者：TDK-Lambda 模块化和可配置产品产品营销经理Giulio Bocciolini
 
在许多应用中，设计工程师需要为其终端设备提供多输出 AC-DC 解决方案。根据所需的输出数量，主要有三种选项：多个单输出 AC-DC 电源、分布式供电架构 (DPA) 或模块化和可配置电源。本文探讨了每种选项的技术细节，并讨论了其主要优缺点。
 

多个单输出电源

使用多个单输出 AC-DC 电源似乎是一种直接的方法，请参见图 1。从众多供应商处采购和购买标准单输出单元相对容易，与更复杂的解决方案相比，其初始成本可能较低。
 

图 1：框图展示了使用多个单输出电源的电力系统
 
不过，与单个多输出单元相比，多个单元会不可避免地占用更多空间，这在空间受限的应用中是一个重要限制。此外，由于每个电源本身都会产生热量，因此管理彼此相近的多个单元产生的热量会相当困难，可能需要采用额外的冷却解决方案，如散热器、冷却风扇或两者兼而有之。
当多个单元同时运行时，还存在电磁干扰 (EMI) 的风险。EMI 会影响设备性能、降低电能质量、增加噪声水平、干扰其他设备并降低效率。如果不加以控制，EMI 还可能导致终端设备难以符合国际电工委员会 (IEC) 规定的一系列国际 EMC 标准。
特别是在医疗应用中，多个单元的接地漏电流之和可能超过安全限值（通常为 500µA），即使每个单输出电源均已获得医疗认证，这种方法仍然不可行。根据电源制造商的规定，其经医疗认证单元的对地漏电流约为 250µA，因此在系统设计中，最多只能使用其中的两个单元。然而，市场上有一些单输出电源的对地漏电流小于 250µA 的规格。例如，TDK-Lambda 的 CUS250M 电源的对地漏电流小于 150µA，这样您就可以在电力系统中使用三个单元。
另外，还需要考虑累积的浪涌电流，因为这些电流会在安装过程中带来挑战，且可能需要专门的电路保护或电源调节。实际上，接线（尤其是交流输入的接线）会变得更加复杂和繁琐，从而增加安装和维护工作中的风险或错误。每增加一个单元都会引入潜在的故障点，从而降低整体可靠性。在生产过程中，管理不同零件编号的库存会使物流变得复杂，并增大缺货或延迟的风险。

分布式电源架构

分布式电源架构 (DPA) 是一种将 AC-DC 转换过程与接近负载点的 DC-DC 转换分离开来的电源设计方法，请参见图 2。这种方法可为设计工程师带来诸多好处，特别是在只需要几个额外输出的情况下。不过，与其他设计选项一样，DPA 本身也有一系列优点和缺点。


图 2：框图展示了使用分布式电源架构 (DPA) 来提供多个负载的情况。
 
最初，DPA 在购买成本方面可能更经济实惠。通过使用标准的 AC-DC 转换器并在需要时使用分布式 DC 电源，设计人员可以充分利用规模经济并降低整个系统的成本。这也有助于提高系统的设计和机械布局灵活性。由于 DC-DC 转换器可以放置到更靠近负载的位置，因此在设备内布置组件时，工程师可以获得更大的设计自由度，从而更高效地利用空间并提高性能。
这种 DPA 方法也促进了设计的可扩展性和模块化。工程师可以轻松添加或移除 DC-DC 转换器，以适应系统不同部分的具体功率需求，而无需重新设计整个电源。不过，随着二次侧输出所需功率的增加，其机械和热集成变得更加关键。确保为高功率 DC-DC 转换器提供充分的冷却和机械稳定性可能颇具挑战，尤其是在尺寸小巧的设计中。
要实现 DPA，一个团队需要在一个或多个 PCB 上集成各种组件。这要求团队在电子设计领域具有更丰富的专业知识，包括对电源管理、电磁兼容性 (EMC) 考虑和热管理的深入理解。工程师需要负责针对全面的 EMC 测试、合规性和热测试进行安排。这些额外步骤可能会在开发过程中增加大量时间和成本（就“EMC 实验室时间”和额外的“工程时间”而言），对于具有严格监管要求的医疗设备中的复杂系统来说尤其如此。
与多个单输出解决方案一样，DPA 方法需要采购各种组件，并可能需要管理外部电子制造服务 (EMS) 供应商。这样做会导致供应链更复杂，管理的间接成本也会进一步提高。此外，如果系统的不同部分之间需要电隔离，则还需要隔离型 DC-DC 转换器，相比于非隔离型产品，这些转换器的体积通常更大，价格也更昂贵，从而削弱了 DPA 的成本优势。
 

模块化或可配置产品

使用模块化或可配置电源是工程师寻找多功能、现成解决方案以满足其系统设计需求的一个良好选择，请参见图 3。它们通常比由多个单输出单元组成的等效解决方案更小巧。在优先考虑场所空间的应用中，这种节省空间的特性尤其有利。


图 3：像 TDK-Lambda 的 MU4 系列这样的现成模块化、多输出电源可以为多达五个负载供电
 
使用模块化或可配置电源的另一大好处是，不需要对产品有深刻的技术理解，也不需要专门的研发和安全部门进行维护。它配有完整的安全认证、已知的 EMC 性能和规定的对地漏电流值。例如，小巧的 TDK-Lambda MU4 系列可以提供多达五个输出，并具有全面的患者保护 (MOPP) 隔离措施（包括输出到地），可简化应用于身体浮动 (BF) 级医疗应用的实现过程。这些特性极大减少了确保终端设备符合严格监管要求所需的时间和资源。此外，这些单元产生的可闻噪音极低，有助于提升用户和患者的体验。
模块化和可配置电源均采用可适应式设计，支持根据终端设备的具体需求进行定制。这种即插即用的方法有助于简化安装和布线过程，可缩短设置时间并简化未来的维护工作，对希望简化开发流程的小团队或公司特别有吸引力。
更进一步说，TDK-Lambda 的“快速产品查找器”是一个易于使用的在线工具，在填入所需的输出电压和电流后，会自动生成优化的模块选择方案。此外，由于指定的电源只涉及一个部件编号，因此库存管理显得更加简单。它还可以降低物流复杂性并减少存储需求，从而节省成本并提高生产效率。

结论

虽然选择多个单输出 AC-DC 电源乍看似乎经济实惠且简单直接，但在尺寸、热管理、可靠性和合规性方面的长期影响可能会显著弱化最初的成本节约。对于需要高质量、可靠和小巧电源解决方案的应用，尤其是在如医疗或工业应用等敏感或高性能环境下，采用集成多输出 AC-DC 解决方案通常是一种更谨慎的方法。
另一方面，DPA 为开发多输出 AC-DC 解决方案提供了一种灵活且极具潜在经济效益的方法。不过，它需要丰富的电力系统设计专业知识和全面的测试，以确保可靠性、合规性和性能。在选择使用 DPA 时，应仔细考虑这些因素，并根据最终应用的具体要求和限制进行权衡。
模块化和可配置电源为工程师提供了一种极具吸引力的解决方案，让他们能够在项目中兼顾电力传输、认证和集成便利性等要求。它们提供了符合安全和 EMC 标准的简化途径，这既有助于简化库存和物流，也能让没有深厚技术专长的团队实现电源集成。
无论您决定采用哪种电源系统设计方法，我们都强烈建议您联系供应商来获得建议和指导。电源产品的制造商，甚至其分销商，都可能在开发类似系统设计方面具有独到的见解和经验。
 
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