【導讀】交流/直流電源（有時稱“離線”電源）廣泛用於照明、顯示
、信息技術和工業應用。除純電池供電的係統外

，它們是幾乎所有電子係統的標準構件。

交流/直流電源（有時稱“離線”電源）廣泛用於照明、顯示、信息技術和工業應用。除純電池供電的係統外
，它們是幾乎所有電子係統的標準構件。

這些電源版本交付時一般都是開放式單元，作為基本的、無封閉 PC 板嵌入 OEM 係統中，並依靠最終產品的封裝來實現必要的整體封閉。這些電源工作的交流線路電壓範圍寬
，並提供許多輸出電壓、電流和功率組合。

雖然它們在功能上是完整的

，且相對容易使用
，但工程師在使用它們時必須注意一些設計上的考量。具體包括：

· 電氣安全/監管

· 熱管理和降額

· 電磁兼容性

本文以 XP Power 的開放式電源及其 LCE80 係列對流冷卻型 80 瓦 (W) 電源為例，深入探討了這些注意事項。

電源：自製還是外購？

從過往記錄來看，人們在選擇這些電源時第一個問題就是——“自製還是外購

？”自已做的理由是，設計和建造一個或幾個單元的具有基本功能的 <100 W 的電源並不困難，至少在原則上如此。

但在實踐中自製遠比你想得複雜得多，設計和製作工作涉及如下內容：

· 確保在所有工作條件下，包括高/低電壓交流線路、瞬態性能和溫度範圍

，都能按規格工作

· 具有所需的保護功能，如過壓保護、欠壓鎖定和熱熔斷。

· 了解並滿足世界範圍內許多複雜的安全

、效率和靜態功率的監管規定。

· 解決各種衝擊和振動要求

· 製定測試、驗證和性能認證計劃

現實情況是，即使是由在該領域有經驗的熟練工程師組成的團隊，要在合理的時間內，以可接受的前期非經常性工程 (NRE)、物料清單 (BOM)
、生產設置以及測試和鑒定成本，完成一項成功的設計，也是極具挑戰性的。

即使標準設備不能滿足要求，大多數交流/直流電源供應商也提供定製服務，他們能夠按照特定要求修改標準電源
，同時滿足許多技術和法規要求。

從開放式實現開始

開放式電源是業界對純板結構的稱呼
，它作為一個單一、完整的組件發揮作用，如 LCE80 係列中的那些電源（圖 1）。它們直接安裝到終端設備應用中

，由終端產品為電源提供物理和電氣外殼保護。開放式電源安裝靈活、性能優異，符合監管標準和規定，是高性價比的解決方案
，能夠讓設計團隊專注於係統設計的其餘部分及其差異化。

圖 1：LCE80 係列 80 瓦開放式電源將所有需要的元器件安裝在一塊 PC 板上。（圖片來源：XP Power）

開放式電源與另一種廣泛使用的交流/直流電源不同
，後者稱為 U 型槽，電源電路板安裝在通常由鋁製成的 U 型底架中（圖 2）。例如 XP Power 的 VCS100US12 100 瓦(wa)電(dian)源(yuan)。底(di)架(jia)還(hai)為(wei)設(she)備(bei)製(zhi)造(zao)商(shang)提(ti)供(gong)多(duo)種(zhong)選(xuan)擇(ze)
，以(yi)將(jiang)電(dian)源(yuan)安(an)裝(zhuang)到(dao)最(zui)終(zhong)組(zu)件(jian)中(zhong)，並(bing)且(qie)通(tong)常(chang)包(bao)括(kuo)一(yi)個(ge)可(ke)拆(chai)卸(xie)的(de)蓋(gai)子(zi)，以(yi)提(ti)供(gong)電(dian)氣(qi)和(he)物(wu)理(li)保(bao)護(hu)，並(bing)帶(dai)有(you)空(kong)氣(qi)流(liu)通(tong)孔(kong)。

圖 2：100 瓦 VCS100US12 U 型槽電源包括一個可拆卸保護罩。（圖片來源：XP Power）

盡管開放式電源完整且隨時可以使用的，但仍要注意電氣安全/監管問題

、熱性能和限製以及安裝和電磁兼容性 (EMC)。

電氣安全/法規合規：開(kai)放(fang)式(shi)電(dian)源(yuan)用(yong)戶(hu)必(bi)須(xu)了(le)解(jie)間(jian)隙(xi)和(he)爬(pa)電(dian)要(yao)求(qiu)。間(jian)隙(xi)是(shi)兩(liang)個(ge)導(dao)電(dian)部(bu)件(jian)之(zhi)間(jian)在(zai)空(kong)氣(qi)中(zhong)的(de)最(zui)短(duan)距(ju)離(li)
，而(er)爬(pa)電(dian)距(ju)離(li)是(shi)指(zhi)兩(liang)個(ge)導(dao)電(dian)部(bu)件(jian)之(zhi)間(jian)沿(yan)固(gu)體(ti)絕(jue)緣(yuan)材(cai)料(liao)表(biao)麵(mian)的(de)最(zui)短(duan)距(ju)離(li)（圖 3）。這(zhe)兩(liang)個(ge)因(yin)素(su)所(suo)需(xu)的(de)最(zui)小(xiao)值(zhi)是(shi)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)以(yi)及(ji)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)的(de)函(han)數(shu)，工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)如(ru)預(yu)期(qi)的(de)汙(wu)染(ran)，包(bao)括(kuo)高(gao)壓(ya)節(jie)點(dian)周(zhou)圍(wei)空(kong)氣(qi)中(zhong)或(huo)高(gao)壓(ya)節(jie)點(dian)間(jian)表(biao)麵(mian)上(shang)的(de)灰(hui)塵(chen)、水分和其他微粒物質。

圖 3：電路板設計必須滿足最小間隙（兩個導電部件之間在空氣中的最短距離）和爬電（兩個導電部件之間沿固體絕緣材料表麵的最短距離）距離要求。（圖片來源：Altium Limited）

根據最終應用，電源也被分為幾個 IEC 分類：

· I 類：用戶的電擊保護是通過絕緣和保護接地的組合來實現的。

· II 類：通過兩級絕緣（雙層或增強）實現用戶電擊保護

I 類係統要求任何接地的金屬部分和電源的任何初級部分之間有三或四毫米 (mm) 的距離
，具體取決於最終應用是工業領域還是醫療領域。這可能需要在開放式電源組件周圍增加絕緣子
；II 類電源可能需要更大的爬電和間隙距離。

當使用 I leidianyuanshi，yudianyuandeanquandixianlianjieshidianqixitongdeyigezuchengbufen，tabixuyushebeideanquandixianlaogulianjie。lingwai
，kenengyoubuzhiyigebixudejiedixulianjiedaogaizujianshang，zheyingxiangdaodianfusheheminganxingxingneng（下文進一步討論）。

開放式和 U 型槽電源都包括一個整體保險絲；對於醫療設備應用，需要兩個保險絲。

保險絲通常是永久性地安裝在電源中，並不是為現場更換而設計的，因為保險絲激活（斷開）的de唯wei一yi原yuan因yin是shi電dian源yuan出chu現xian故gu障zhang，在zai再zai次ci使shi用yong該gai係xi統tong之zhi前qian必bi須xu進jin行xing維wei修xiu或huo更geng換huan。還hai可ke能neng對dui係xi統tong級ji熔rong斷duan有you額e外wai的de要yao求qiu
，以yi保bao護hu互hu連lian電dian纜lan和he連lian接jie的de問wen題ti，以yi及ji與yu電dian源yuan無wu關guan的de其qi他ta電dian路lu。

熱管理和降額：熱re量liang是shi所suo有you電dian子zi係xi統tong中zhong眾zhong所suo周zhou知zhi的de問wen題ti，因yin為wei它ta是shi導dao致zhi元yuan件jian疲pi勞lao和he應ying力li引yin起qi的de故gu障zhang的de主zhu要yao原yuan因yin，包bao括kuo熱re循xun環huan引yin起qi的de斷duan裂lie。無wu論lun電dian源yuan的de具ju體ti電dian壓ya和he電dian流liu額e定ding值zhi如ru何he

，設she計ji者zhe主zhu要yao關guan注zhu的de是shi電dian源yuan提ti供gong的de總zong功gong率lv（瓦特）。

供應商通常為一個特定的最大額定功率設計一個係列電源
，然後設置電壓和電流配對來匹配。例如
，XP Power LCE80 係列的所有單元的額定功率為 80 W，最低電壓單元 LCE80PS05 在最高 12 A 時提供 5 伏電壓
，而最高電壓的 LCE80PS54 在最高 1.48 A 時提供 54 伏電壓。之間更有八個輸出選擇：12 伏、15 伏、20 伏、24 伏、30 伏、36 伏、42 伏和 48 伏。

這些電源在 90 至 305 伏交流輸入電壓範圍內工作，即使在 90 伏的低壓線路下也能實現滿負荷功率。效率接近 90%，這意味著隻有 8W 被電源耗散；其餘 72W 可用於係統需求。所有係列成員的尺寸均為 101.6 mm × 50.8 mm × 27.9 mm。工作溫度範圍為 -40°C 至 +70°C，在 -30°C（高交流線下為 -40°C）至 +50°C 的範圍內可獲得全功率。根據 MIL-HDBK-217F 標準
，計算的平均故障間隔時間 (MTBF) 為 30 萬小時。

該係列的所有設備都符合許多相關的監管標準，包括（但不限於）EN55032 B 類的傳導和輻射發射；EN55035、EN61547 和 EN61000-4-2/3/4/5/6/8/11 的 EMC 抗擾度；EN61000-3-2 諧波電流 C 類的 50W 負載及以上。安全認證包括 CB IEC62368-1 (ITE)、IEC60950-1 (ITE)、UL62368-1 (ITE)
、TUV EN62368-1 (ITE)、EN61347（照明）和 UL8750（照明）。

任何供應的效率都是至關重要的
，因為它決定了如何管理產生的熱量。開放式電源可以使用被動對流、主動強製空氣（風扇）或兩者相結合的方式進行冷卻。許多設計師傾向於選擇那些被指定為僅使用被動空氣冷卻而不使用風扇的電源，原因有很多，包括：

· 它節省了直接 BOM 成本，減少了產品組裝時間。

· 它消除了一個潛在的故障源——風扇
；而風扇將產生連鎖反應
，誘發過熱並大大縮短電源的使用壽命。

· 它避免了與風扇速度和操作管理有關的問題，通常是基於對環境溫度的感應。

· 它顯得更安靜
，在許多情況下這是一個重要因素。

· 它避免了終端用戶無意中因堵塞風扇入口或出口而造成過熱問題。

jianeryanzhi
，xiaochuduifengshandexuqiudadazengqianglezhenggexitongdekekaoxing，jianhualejixiesheji
，bingjiangdilechengben。weilebucaiyongfengshan，shejirenyuanyoubiyaozhakandianyuanguigeshu，yilejieshifouxuyaoqiangzhikongqilaimanzusuoshuguige
，huozheshifoujinkaobeidongduiliujiuzugoule。

這zhe種zhong檢jian查zha包bao括kuo檢jian查zha供gong應ying商shang保bao證zheng所suo有you規gui格ge性xing能neng的de最zui高gao溫wen度du
，以yi及ji降jiang額e曲qu線xian，該gai曲qu線xian定ding義yi了le超chao過guo閾yu值zhi溫wen度du後hou輸shu出chu功gong率lv下xia降jiang的de程cheng度du。一yi個ge設she計ji良liang好hao的de電dian源yuan可ke以yi在zai 50⁰C 的環境溫度以及低至 90 伏的交流輸入下保持額定功率輸出。相比之下
，一些產品宣傳的是“招牌”額定功率
，但在低交流線路電壓下會迅速降額達 20%，並在低至 40⁰C 的環境溫度時就開始降額。對於 LCE80 係列，在 50⁰C 以內保證全部性能，在最高溫度 70⁰C 時線性降額至 50%（圖 4）。

圖 4：LCE80 係列的降額曲線顯示
，這些電源在 50⁰C 下保持 80W 的額定性能，然後在 70⁰C 的最高工作溫度下降低 50%，達 40W。（圖片來源：XP Power）

安裝位置、方向、周圍可用空間、應(ying)用(yong)負(fu)載(zai)和(he)周(zhou)圍(wei)部(bu)件(jian)
，以(yi)及(ji)任(ren)何(he)空(kong)氣(qi)冷(leng)卻(que)
，對(dui)每(mei)個(ge)應(ying)用(yong)都(dou)是(shi)獨(du)特(te)的(de)。重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)要(yao)在(zai)開(kai)放(fang)式(shi)電(dian)源(yuan)處(chu)建(jian)立(li)模(mo)型(xing)並(bing)測(ce)量(liang)溫(wen)度(du)
，而(er)不(bu)是(shi)在(zai)係(xi)統(tong)外(wai)殼(ke)的(de)其(qi)他(ta)地(di)方(fang)
，因(yin)為(wei)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)廣(guang)泛(fan)的(de)、高度局部化的差異。

確(que)定(ding)電(dian)源(yuan)的(de)估(gu)計(ji)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)的(de)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)是(shi)基(ji)於(yu)關(guan)鍵(jian)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)溫(wen)度(du)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)曲(qu)線(xian)，這(zhe)是(shi)唯(wei)一(yi)具(ju)有(you)磨(mo)損(sun)機(ji)製(zhi)的(de)零(ling)件(jian)。所(suo)有(you)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)壽(shou)命(ming)的(de)計(ji)算(suan)都(dou)是(shi)基(ji)於(yu)阿(e)倫(lun)紐(niu)斯(si)方(fang)程(cheng)
，溫(wen)度(du)每(mei)增(zeng)加(jia) 10 攝氏度，反應速度就會增加一倍，因此壽命也會減少一半（圖 5）。通過測量元件外殼溫度
，並將阿倫尼烏斯方程應用於指定的溫度和設計壽命
，可以很好地指示使用壽命。

圖 5：兩個典型的電解電容器的熱降額曲線顯示
，根據阿倫紐斯方程（右），溫度每上升 10⁰C，其壽命就會減半。（圖片來源：XP Power）

電磁兼容性問題：開放式電源通常需要兩個
，有時是三個安裝點與地線相連以滿足標準要求。在 I 類係統中，其中一個連接需要安全接地
，位於組件的輸入側。這個連接也將連接線對地和中性線對地的共模濾波電容器，也稱為 Y 電容器（圖 6）。

圖 6：Y 電容器起的是共模濾波器的作用

，用於電源的輸入側，將線路和中性線連接到地。（圖片來源：www.blogranya.blogspot.com）

這些電容器與電源中的共模電感器一起工作，以削弱與電源的功率級中電壓快速變化有關的噪聲。這些輸出共模電容對電源的 EMC 性能至關重要，必須連接起來以獲得最佳的 EMC 性能。

有必要將這些點連接在一起，以確保符合開放式電源的 EMC 標準。需要連接到接地或連接在一起的點通常在電源規格書中會有說明

，連接這些點的最佳方式是將電源安裝在接地的金屬板上（圖 7）。

圖 7：圖上標有接地符號的安裝孔
，在 I 類應用中必須連接到安全接地
，在 II 類應用中必須連接在一起 。（圖片來源：XP Power）

這zhe個ge板ban子zi不bu需xu要yao連lian接jie到dao其qi他ta任ren何he東dong西xi，因yin為wei它ta的de功gong能neng就jiu是shi為wei濾lv波bo電dian容rong器qi連lian接jie到dao接jie地di提ti供gong一yi個ge具ju有you低di寄ji生sheng元yuan件jian的de低di阻zu路lu徑jing。標biao有you接jie地di符fu號hao的de安an裝zhuang孔kong在zai I 類應用中必須連接到安全接地
，在 II 類應用中必須連接到一起。

zuoweiyibanzhunze，dianyuandesuoyoushuruheshuchudianlanyingbaochifenkai
，bingbimianjiejinkaifangzujian。zhezuidaxiandudijianshaoleqianzaiwenti
，jidianyuanneichanshengdediancifushedaozhichuandaohefushepaifangjinruzhongduanshebei。

結語

通過集中使用具有不同電壓/電流額定值的單一係列開放式電源，設計師可以縮短並增強其設計導入過程，同時保持所有其他因素不變。這樣就簡化了安裝、接地、EMC 和熱分析
、降額考慮、性能包絡計算
、物理連接和布線。

（來源：Digi-Key，作者：Bill Schweber）

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