2024年1月28日

安装即遗忘可以安静而可靠工作的千瓦级 ACDC 转换器

作者 admin

1kW AC/DC电源在许多应用中很常见,用户想要的是可以轻松安装、配置和监控的多功能产品。本文将探讨理想电源的用途以及解释示例产品是如何满足要求的。

1kW 级别的AC输入设备电源是工业、电信、交通和医疗等多个领域的主力军。电源制造商努力为自家 AC/DC 产品提供更多功能、监测和控制性能,但与此同时客户也面临着要让它们「消失」的压力。用户希望设备电源更小、更轻也更安静,无论是从听觉上还是以 EMI 的角度来看。它们在高输出负载下运行时应该保持凉爽(保持有限发热量),不会给系统增加太多热量,并且在待机或关机时的耗散(耗散调整为功耗,关机为什么存在功耗)应该可忽略不计,甚至成本也应该适中。同时,系统工程师不希望「小尺寸」导致操作有所限制(例如高度)而造成任何不乐见的意外,采购部门也希望一个部件能适用多种应用并具备不同应用所需的认证。

来个深呼吸

AC/DC 的设计团队一起深吸一口气,拿起他们的铅笔(或者是触控笔),开始考虑必须做出的数千个设计决策。这些选择通常相互冲突而且牵扯到多项学科背景,从电路理论到安全、EMC、磁学、机械、冷却、美学、标准符合性等等。在这种功率级别的现代设计总是有嵌入式固件的数字元素(数字部份),因此编程技能成为另一个需要整合的要素。这是迫切需要整合的,而且产品管理可能会因应需求改变规格,因此项目管理并非是最不重要的一门学科。

希望在了解 AC/DC 产品设计师的处境而产生一些同情后,现在我们以 RECOM RAC1200-V 系列(图 1)作为成功整合的范例,来研究该产品是如何通过最新升级得到进一步的改进。该 AC/DC 转换器在通用 80-264VAC 下运行,提供具有宽调节范围的 24V、36V 或 48V 单输出,连续功率为 1kW,典型效率为 95%。

图 1:RECOM RACM1200-V 1kW AC/DC转换器(1.2kW 峰值)

小封装蕴藏大能力

RACM1200-V 的整体尺寸为 228 x 96.2 x 40 毫米(9 x 3.8 x 1.57 英寸),符合了第一个目标项目。这是市场上额定功率密度最高的产品之一,适合1U 标准机架高度(1U = 1.75 英寸)。交流输入和直流输出位于两端方便连接,内部高效布局。然而若要达到声称的额定输出,冷却和尺寸就必须一起考虑。在这些产品的典型应用中,出于维护和噪声等原因内部风扇是不受欢迎的,因此该产品采用独立的散热片和强制风冷。虽然我们谈论的是典型的 1kW 应用,但产品部件号给出了提示:在规定的时间段内峰值额定功率可至1200W或在适度的 2.5m/s 气流冷却下持续提供,底板温度最高85°C。为了实现特定功率输出会有所取舍:环境温度和冷壁温度、气流、交流输入电压以及峰值功率的持续时间,RECOM 在产品数据表中提供了能够实现的综合指南。规格中经常缺少的一个参数是峰值额定功率的重复率—需要一段冷却时间是因为这样温度就不会随着多个连续的峰值负载而「上升」过高。RECOM 提供的相关指南如图 2 所示。

 

图 2:RACM1200-V 量化的峰值负载能力

精密控制将电源保持在安全范围内

RACM1200-V 是针对多功能性而设计的,其温度数据能让用户在特定条件下提取最大功率,从而避免选择更昂贵、更大、更高额定值的 AC/DC。透过(通过)全面的保护机制可以避免对产品造成压力,比如针对小过载的恒定功率模式下的精密过流检测,还有恒定电流,以及最终在闭锁前循环四次的「打嗝」式关断(图 3),同时也有过温保护和输出过压保护。

图 3:RACM1200-V 实施了多重过载和峰值负载限制

该产品还内置了许多灵活性,例如保护级别可通过内置的 PMBus™ 接口进行调整。甚至过热保护也有分级,对初级开关实施立即的「硬」关闭,对输出组件则采取「优雅」(相对缓和)关闭。如果温度继续升高,电源最一开始会降低输出功率并在最终安全关闭之前发出警告。

RACM1200-V的数字智能固件经过大幅升级,在多点测得的交流市电电压和温度等外部条件下,产品能够有效实时监控电力需求并进行调配。这是为了让用户用得安心,不会担心产品会损坏或受力过大而缩短使用寿命。为了进一步帮助这个问题,终端系统设置了一个风扇驱动输出,透过(通过)「转速表」信号监控速度和状态。由于风扇速度调节了温度,因此可以减少耗损并将噪音降至最低。

PMBus 提供额外的监控和控制,因此 RACM1200-V 可以集成到 SCADA(监控和数据采集)或智能电源管理系统中。然而快速安全的模拟控制并没有被遗忘,因为也有远程感应、开关控制和 ACOK 信号以在交流电源故障之后和保持时间结束之前发出警告。PSU GOOD 信号用来告知输出在规范之内,并提供一个「不间断」的 5V 1A 待机输出,与主输出之间有 1.5kV 隔离。已经提到的风扇驱动输出可以预设为关闭或在 5V 和 12V 之间,额定电流为 1A。为了增加一些视觉效果,RGB LED 以连续、闪烁和交替闪烁的组合来表示七种不同的 PSU 状态:

绿灯恒亮 DC-OK:PSU 标准操作模式

蓝灯闪烁30%STBY:启用控制进入待机模式;主输出关闭

绿灯闪烁50%OCP: 过流限制 {75%<vout <95%}<= p=></=>

绿灯/红灯交替闪烁50:50OTW: 过热警告,仍可正常运行

红灯闪烁50%OTP: 过热限制、输出关闭、自动复位

红灯/蓝灯交替闪烁50:50OLP: 过载保护、输出关闭、自动复位

红灯恒亮FAIL: 输出关闭(锁定),永久故障状态

该产品拥有高精度控制因此适用于多种负载类型。例如,(驱动)电机能承受高浪涌冲击得受益于内置恒流特性。电池充电是另外一种应用;铅酸电池仍被广泛使用并以恒流恒压充电,而 RACM1200-V 的控制功能可以实现上述功能。

如果产品还不能满足您的需求,最多可以并联三个来提高额定功率。共享电流(均流)是通过「下垂法」做到的以确保每个电源提供平均电流。

不同的应用需要不同的标准符合性

我们已经讨论了该产品如何通过全面的控制和监控来适应不同的负载类型。然而不同的应用也需要特定的标准符合性,而所谓的多功能 AC/DC 必须得满足这些要求。现代产品的最低要求是要有 IT 和多媒体标准 IEC/EN/UL 62368-1 的认证,RACM1200-V 符合此标准工作海拔5000 米,同时它还符合变压器和电源装置的安全标准 IEC/EN 61558-1/2,以及测量、控制和实验室用电气设备的安全要求 IEC/EN 61010-1/2,海拔高度 4000 米。该产品的额定过电压类别为 IEC 62368-1 和 IEC 61010-2 的 II 类 (OVC II) 以及 IEC 62477 的 III 类 (OVC III),海拔高度可达 2000 米,因此部件能够安装在有电噪声的环境中。产品也符合生态设计要求,典型空载功耗为 2W,待机功耗最大为 1W。

然而认证不只于此,产品还符合医疗标准 IEC/EN ANSI-AAMI 60601-1。无需担心会有额外问题因为该产品满足最高通用级别要求,250VAC 系统具有双重患者保护措施 (2x MOPP) 海拔高达 4000 米。该级别的标准要求隔离电压为4kVAC,同时提供双输入熔断。在医疗应用中,电源漏电流受到限制,产品在正常条件下 (NC) 患者漏电流最高 100µA,在单一故障条件 (SFC) 下最高则为 500µA。因此该产品能够与内置 BF(身体绝缘)连接一起使用,并可在医院和护理环境中被广泛应用。

机箱的输出隔离为 1.5kVAC,因此产品有机会被需要此隔离等级的以太网供电 (PoE) 的应用所使用。

产品符合多项EMC 标准,包括IEC/EN 60601 B 类 EMC 辐射规范以及EN 55011、EN55032 和 FCC 47 CFR Pt 15 的 B 类标准。抗扰度级别符合 IEC/EN 61000 系列标准,同时满足分别针对多媒体和工业设备的 EN 55035 和 EN 55024标准的要求。

致极客

RACM1200-V 以实惠的价格实现高端规格、高功率密度和多功能性的卓越成就。为了实现这一目标设计人员使用了最新的转换技术,包括交错升压 PFC 和最先进的LLC隔离和转换。这种谐振拓扑实现调节的方式是通过改变功率驱动波形的频率以在谐振腔的响应曲线上上下移动、改变电路级增益和输出电压,透过(通过)输出反馈进行模拟控制。为了达到最高效率采用了有源同步输出整流器。虽然控制回路反馈是模拟的,但微处理通信接口、外部控制和监控。内部和外部辅助控制电源则由另一个低功率 AC/DC 电源提供(图 4)。

图 4:RACM1200-V 框图

真的要安装即遗忘吗?

RECOM RAC1200-V 的设计采用前沿技术,但由于其特性和对用户的要求而被放在房间的角落里。它有通用输入范围、全面的认证和安全功能,很容易集成到任何常见的应用中。新模块化固件有清晰的逻辑因此易于配置,制造商得以快速地提供定制品给客户。安装它但不要忘记它—恒定绿灯表示它正安静地可靠工作。不过因为它不需要太多关注所以可能会感到有点寂寞,您可以偶尔发一个 PMBus 查询让它知道您还是很关心它的。