裸板型和U外壳型AC/DC电源的安装

2018-01-10 09:43:10编辑:冀凯 关键字:AC  DC

AC/DC电源在行业内通常被使用于裸板型安装。裸板型通常是指一款PCB安装电源产品,可安装在整个外壳为封闭型的终端设备中。

 

另一种将电源装入终端设备的方式是U外壳型,即电源PCB板是U型安装,通常为铝板,机板,可用于电子半导体的温度管理,可为设备生产商将电源装入终端设备提供多种固定方案。

 

当安装裸板型和U外壳型电源产品时,需要考虑相关的安规,电磁兼容性(EMC)和温度管理,以下会就这些问题进行讨论。

 

另一个需要重点考虑的问题是电源的具体规格,特别是与数据表上的额定功率比较时,需要考虑温度和输入电压降额。好的产品可保持额定功率输出达到50⁰C,输入降至90VAC,而一些产品宣传的额定功率降额为20%,降额温度为40⁰C,这些产品可能会不适用于终端设备。

 

安全

将裸板型电源装入设备时,要注意电源各个方向与设备之间的爬电距离和净距离。在class I系统中,这意味着在任何接地金属和电源之间要保证3或4毫米的距离,当然也要考虑终端设备是工业或医疗应用,在组装电源时必须要使用绝缘。

 

使用class I电源时,安全接地至电源是电子安全系统的一个重要部分,必须安全的连接至设备安全接地。这种连接通常是通过其中一个安装孔,AC输入连接或电源PCB板上标签来实现。需要的接地组装方式不止一种,会影响产品电子辐射和敏感性能,我们之后会讨论这个问题。

 

使用class II电源时,会要求金属外壳中的爬电距离和净距离更大,但通常设备外壳是非导电的。

图1: 裸板型电源


U外壳型会使产品周围的安全更简单,因为U外壳型的机板是连接至电源安全接地,可直接与设备外壳连接。PCB板和U外壳型之间的安全距离要求是在研发阶段解决的。然而U外壳型的终端和组装顶部仍然是开口的,必须特别小心以保证维持充足的爬电距离和净距离。

 

图2a 和 2b:有盖和无盖的U外壳型电源


U外壳型更容易操作和安装。U型机板提供更坚固的外壳,安装人员可使用组合安装孔,将安装硬件减少至简单的螺丝固定。必须注意观察任何最大的螺丝插入深度以保持安全爬电距离和净距离。

 

U外壳型组装的另一个好处是可以通过传导降温至设备外壳来实现电源元器件的额外降温,有效降低连接元器件的温度和U外壳型的内部温度。

 

为医疗设备应用研发的裸板型和U外壳型电源包括一个或两个输入保险丝,这在整个产品安全系统研发中是非常重要的,在产品严重故障时可以避免引发火灾。保险丝通常是永久安装在电源内,也是不可替换的,清除保险丝的唯一理由是电源产品安装失败。

 

由于这两种安装方式需要输入布线,终端设备也需要额外的熔断以预防由连接器,指示器,开关和布线可能引发的火灾情况。

 

输出电线尺寸必须符合电源的最大功率容量,包括过载保护规格的最大公差,从而避免产品故障时引发安全问题。

 

当然温度问题也需要考虑,一些安全严格的元器件有最高额定温度,这个问题会在之后的温度管理中讨论。

 

电磁兼容 (EMC)


裸板型电源通常需要两或三个安装点来接地。如上所述,在class I系统中通常这些连接中的一个是要求用来安全接地,安装在产品组装的输入端,这个连接也会连线至接地和中性接地共模滤波电容,也被称为Y电容。电源组装时这些Y电容与共模电感一起运作,可降低因电压快速变化而产生的噪音。其余的安装点通常位于侧边,连接输出共模滤波电容至接地。滤波可用于降低电流快速变化而产生的噪音,以线性连接和中性连接的方式存在于电源产品内。

 

这种输出共模电容是电源EMC性能的重要组成部分,必须连接以达到EMC最佳性能。如果设备使用的是金属外壳就不会有问题。对于适合class I 或 class II应用的塑料外壳,必须制定其他的条规整合这些连接点从而保证EMC性能。这些需要连接至接地或一起的连接点通常会在电源数据表中标出,以下是举例说明。

 

图3:裸板型电源结构图显示安装点接地连接

 

最好的连接这些点的方式是将裸板型电源安装在金属板上,金属板无需任何连接,为需要连接的滤波电容提供低阻抗路径。

 

当这种安装方式无法实现时,就必须使用其他方式来连接这些连接点,如多股线。

 

U外壳型产品的所有接地连接是在U外壳中完成的,这样可以简化电源的安装。U外壳机板到多固定点的设备外壳之间的良好连接是非常重要的,可以最少化寄生元件。

 

图4:标准的U外壳电源结构图,含具体固定和连接点

 

这两种产品的输入和输出线应该分开安置,不能与安装处过于接近。当电源装入系统时终端设备可能会产生传导和辐射问题,这样可以避免开关元器件和磁力安装所产生的辐射带来的问题。

 

温度管理

 

裸板型电源处于自然对流冷却或强制风冷时,会有额定功率。U外壳型电源还有自然对流冷却等级,可使用设备外壳或外部散热以达到进一步的冷却。

 

安装位置,方向,周围可用空间,外加负载和系统风冷的周围部件对每一种应用都是独一无二的。对电源内部主要元器件工作温度的检查是非常重要的,从而保证严格安全的元器件不超过安规报告中规定的最高等级,产品的性能和使用寿命不受影响。

 

裸板型和U外壳型电源的数据表为产品安装至设备中提供说明,通常介绍主要安全元器件&最高温度等级,每个产品的数据都不相同,取决于所使用系统的绝缘等级。数据表还提供在主要电解电容温度基础上预估的产品使用寿命曲线,这些电解电容是电源损耗机理的唯一证明。

 

图5:表格和图形,提供安规标准和预估使用寿命

 

预估使用寿命是建立在电解电容最高温度等级研发的使用寿命基础上,也建立在终端设备运行使用时平均温度的基础上。显而易见的是,在任何环境或极端条件下都不能超过最高温度等级。

 

所有的电解电容寿命计算是以阿伦尼乌斯方程为准的,即温度每降10摄氏度反应速度减半,使用寿命翻倍,这对产品使用寿命和在终端应用的使用周期是非常重要的。电源生产商所做的产品寿命计算包括使用的纹波电流,这在电源产品组装阶段是无法实现的,良好的使用寿命是由对元器件温度的测量所决定,对规定温度和研发使用寿命采用阿伦尼乌斯方程也能延长产品使用寿命。


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