低功耗設(shè)備AC/DC 電源設(shè)計(jì)解決方案

　　AC/DC 電源設(shè)計(jì)人員面臨著持續(xù)的競爭壓力，在提高能效并滿足一系列全球電磁兼容性 （EMC） 要求的同時，還需要降低成本、減少設(shè)計(jì)時間和外形尺寸。轉(zhuǎn)換器還必須能夠在各種 AC（有時是 DC）輸入電壓下保持能效和性能，提供寬運(yùn)行溫度范圍，并通過輸出短路和過流保護(hù)確保設(shè)備和用戶安全。

　　設(shè)計(jì)靈活的多應(yīng)用電源是一項(xiàng)耗時而艱巨的任務(wù)，這需要一套特定的技能。即使內(nèi)部具備這些技能，仍然會大幅增加上市時間。雖然有符合特定性能規(guī)格的現(xiàn)成即用模塊，但如果設(shè)計(jì)要求發(fā)生變化，設(shè)計(jì)人員必須選擇另一種模塊。

　　為了解決這個問題，設(shè)計(jì)人員可以使用板安裝 AC/DC 轉(zhuǎn)換器來滿足核心監(jiān)管、占用面積和性能規(guī)范，同時提供高度的定制能力以滿足不斷變化的要求。

　　本文討論了有關(guān)低功耗設(shè)備電源設(shè)計(jì)的問題。然后介紹了 Mornsun 的小尺寸 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，并展示了如何輕松定制這些轉(zhuǎn)換器以滿足各種應(yīng)用的要求。本文展示了設(shè)計(jì)人員如何通過優(yōu)化多應(yīng)用 AC/DC 轉(zhuǎn)換器最大程度降低成本，提高能效并減小解決方案尺寸，同時確保用戶和設(shè)備安全，并實(shí)現(xiàn)特定的 EMC 級別。

　　低功耗設(shè)備電源的設(shè)計(jì)要求

　　在電磁干擾 （EMI） 和電磁抗擾性 （EMS） 方面，EMC 要求的范圍涵蓋從一些消費(fèi)類應(yīng)用的最小濾波到需要滿足 CISPR32/EN55032 B 類級別 EMI（輻射）和 IEC/EN61000 EMS（抗擾度）級別 4（表 1）的工業(yè)系統(tǒng)和室外場所。此外，這些 AC/DC 轉(zhuǎn)換器必須符合 6 級能效標(biāo)準(zhǔn)，可在寬溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，具有輸出短路和過流保護(hù)，并且外形緊湊且成本低。

　　表 1：通過添加外圍元器件，可定制 Mornsun 的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，以滿足各種應(yīng)用的輻射和抗擾度要求。（表格來源：Mornsun）

　　由于可能有必要為每種應(yīng)用及其特定要求設(shè)計(jì)或選擇一個電源，隨之而來的是設(shè)計(jì)時間、成本和庫存管理方面的代價。因此，更具成本和資源效益的方法是使用標(biāo)準(zhǔn)電源模塊，該模塊在各種應(yīng)用的性能范圍內(nèi)，并且容易進(jìn)行優(yōu)化以滿足每種目標(biāo)應(yīng)用的具體需求。

　　多應(yīng)用定制

　　要采用這種方法，設(shè)計(jì)人員可以選擇使用 Mornsun 的 LS-R3系列板安裝 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器滿足一系列的 EMI 和 EMS 要求?；镜暮诵陌蹇商峁?3 至 10 W 的功率輸出，尺寸為 28 x 14.73 x 11 毫米 （mm），比同等功率的轉(zhuǎn)換器小 43%（圖 1）。

圖 1：LS-R3 系列 AC/DC 轉(zhuǎn)換器是高度可靠的反激式功率級，可進(jìn)行定制以符合一系列 EMI/EMS 級別。（圖片來源：Mornsun）

　　該轉(zhuǎn)換器可輕松定制，以滿足各種 EMI/EMS 規(guī)范，可達(dá)到 CISPR32/EN55032 B 級的 EMI，IEC/EN61000-4-4 ±4 千伏 （kV） 電氣快速瞬變 （EFT），以及 4 級 EMS 的 ±2 kV 浪涌。通過優(yōu)化 EMI/EMS 級別，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)多應(yīng)用 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，最大程度降低成本和減小解決方案尺寸。

　　LS-R3 系列通過了 IEC/EN/UL62368 安全認(rèn)證，符合 6 級能效標(biāo)準(zhǔn)，具有輸出短路和過流保護(hù)，以及 -40°C 至 +85°C 的寬工作溫度范圍。

　　多應(yīng)用定制始于基本的融合和濾波需求。雖然 LS-R3 系列的輸入范圍為 85 至 305 V AC（或 70 至 430 V DC），但個別應(yīng)用的工作電壓為特定的電網(wǎng)電壓，如 110、230 或 277 V AC，這些電壓需要相應(yīng)額定值的保險絲（表 2）。例如，LS05-13B12R3 型的輸出為 12 V DC，電流為 420 毫安 （mA），當(dāng)用于工作于 277 V AC 輸入的設(shè)備時，可使用 Littelfuse 的 36911000000 保險絲。

　　表 2：LS-R3 系列的輸入范圍為 85 至 305 V AC。保險絲的選擇基于使用電源轉(zhuǎn)換器時的實(shí)際電網(wǎng)電壓。（表格來源：Mornsun）

　　如前所述，LS-R3 系列的范圍涵蓋 3 W 轉(zhuǎn)換器，如輸出為 3.3 V DC 的 LS03-13B03R3，直到輸出為 24 V DC 的 10 W LS10-13B24R3。所有三個系列（3、5 和 10 W）都提供輸出電壓為 3.3 至 24 V DC 的型號。下面討論的設(shè)計(jì)實(shí)例基于 LS05-13BxxR3 系列 5 W 轉(zhuǎn)換器。

　　基本設(shè)計(jì)從保險絲開始，然后增加一個繞線電阻器，如 Vishay 公司的 12 歐姆 （Ω）、3 W 的 AC03000001209JAC00，以減少浪涌電流并提供有限的浪涌保護(hù)；一個輸入電容，如 Rubycon 公司的 22 微法 （μF）、450 V 的 450BXW22MEFR12.5X20；以及一個基本的輸出濾波電容，如 Nichicon RS81C271MDN1，額定為 270 微法 （μF） 和 16 V（圖 2）。

　　這種基本的實(shí)現(xiàn)方式符合 EMS 3 級，但不能滿足更苛刻的 EMI 或 EMS 規(guī)范，只適用于對成本最敏感的設(shè)計(jì)和非?；镜男阅苄枨?。根據(jù)熔斷情況，它可以在 85 至 305 V AC 輸入下工作，并產(chǎn)生一個隔離直流輸出。由于只有最低限度的輸出濾波，它不符合大多數(shù) EMI 或 EMS 規(guī)范，而且輸出紋波相對較高。

圖 2：這個成本敏感型設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)效果圖符合 EMS 3 級標(biāo)準(zhǔn)，包括四個外部元器件（保險絲，即左邊的黑色元器件；輸入電容，即中間的黑色圓柱體；輸入電阻，即位于輸入電容的左邊；輸出濾波電容，即右邊的白色圓柱體）。（圖片來源：Mornsun）

　　對于需要更多輸出濾波和更高水平 EMI 性能的設(shè)計(jì)，可以增加三個額外的元器件（圖 3）。一個橫跨轉(zhuǎn)換器初級和次級側(cè)的“Y”型電容，可大幅降低噪聲并改善 EMI 性能。注意：為了滿足家用電器的 IEC/EN60335 標(biāo)準(zhǔn)，可能需要增加第二個“Y”型電容。

　　添加一個 Pi 濾波器可以顯著減少輸出紋波。這可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)：在基本設(shè)計(jì)中使用輸出電容，并增加一個電解電容（如 Rubycon 的 35THV47M6.3X8，額定值為 47 μF 和 35 V）以及一個電感。

圖 3：這個二級設(shè)計(jì)在初級和次級側(cè)增加了一個“Y”型電容（藍(lán)色元器件），以進(jìn)一步降低噪聲和 EMI，并加入了一個 Pi 濾波器以降低輸出紋波（該濾波器的設(shè)計(jì)方法是取下原來的白色輸出電容并添加一個電解電容（右上方的黑色元器件）和一個電感（電解電容下面的灰色元器件））。（圖片來源：Mornsun）

　　需要 A 類或 B 類 EMI 級別和 4 級 EMS 性能的設(shè)計(jì)也可以使用 LS-R3 核心印刷電路板（圖 4）來實(shí)現(xiàn)。在輸入端放置一個差模電感器，可使該設(shè)計(jì)能夠滿足 A 類 EMI 要求。

圖4：增加一個差模輸入電感器（L1，PC 板下方的黑色圓柱體）來滿足 A 類 EMI 限制；再增加一個“X”電容（CX1，黃色元件，中心左側(cè)）來滿足 B 類 EMI；以及在交流輸入端增加一個壓敏電阻（MOV1，左上方藍(lán)色元器件）來滿足 4 級 EMS。（圖片來源：Mornsun）

　　B 類 EMI 限制可通過增加一個“X”電容器來滿足，如 TDK 的 B32671Z6104K000，這是一個 0.1 μF、630 V 徑向薄膜器件。4 級 EMS 性能可通過插入一個壓敏電阻實(shí)現(xiàn)，如 TDK 的 B72214S0351K101 金屬氧化物壓敏電阻 （MOV）。

　　圖 5 所示的完整電路可以滿足 EMI （CISPR32/EN55032） B 類級別、EMS （IEC/EN61000） EFT±4 kV 以及 ±2 kV 浪涌。

圖 5：所示的完整電路圖可以滿足 EMI （CISPR32/EN55032） B 類級別、EMS （IEC/EN61000） EFT ±4 kV 以及 ±2 kV 浪涌。（圖片來源：Mornsun）

　　在圖 5 中，CY2 是前面提到的第二個 Y 型電容，是滿足家用電器 IEC/EN60335 要求的必要元器件。LDM 是差分電感器。

　　電路板布局考慮

　　一旦基于 LS-R3 的特定應(yīng)用設(shè)計(jì)完成，就該在 PC 板上布局外圍元器件了。LS-R3 核心 PC 板符合 IEC/EN61558、IEC/EN60335 和 IEC/EN/UL62368 的要求，用于插入包含外圍元器件的 PC 板中。

　　外圍元器件 PC 板的兩個關(guān)鍵考慮因素是銅印制線的正確尺寸和重量規(guī)格，以及需要足夠的爬電和間隙距離以滿足安全要求。

　　最小的銅線寬度、厚度和重量需要根據(jù)所需的載流量和銅的最大允許溫升來計(jì)算。IPC 2221A“印制電路板設(shè)計(jì)通用標(biāo)準(zhǔn)”提供了關(guān)于有機(jī)印刷電路板設(shè)計(jì)要求的信息，包括如何計(jì)算銅的規(guī)格。

　　當(dāng)指定爬電距離和間隙距離時，需要考慮 IEC 60335-1 或 IEC 60950-1。額定電壓高達(dá) 250 V 單相交流電的家用電器和類似電器涵蓋于 IEC 60335-1，而信息技術(shù) （IT） 涵蓋于 IEC 60950-1。

　　間隙距離是兩個導(dǎo)電部件之間的穿過空氣的距離。IEC 60950-1 是更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，在 150 至 300 V 的工作電壓時，強(qiáng)化絕緣要求 4.0 mm 的間隙，而 IEC 60335-1 的要求是 3.5 mm。

　　爬電距離是兩個導(dǎo)電部件之間沿表面的最短距離。在這種情況下，IEC 60335-1 更為嚴(yán)格，在工作電壓為 250 至 300 V 時，強(qiáng)化絕緣要求 8.0 mm 的爬電距離，而 IEC 60950-1 僅要求 6.4 mm 的爬電距離。如果工作電壓介于 200 至 250 V，這兩個標(biāo)準(zhǔn)都要求 5 mm 的爬電距離。

　　預(yù)制的 PC 板

　　雖然外圍元器件可能需要定制設(shè)計(jì)的 PC 板，但當(dāng)封裝要求不那么嚴(yán)格時，可使用 Mornsun 提供的預(yù)制 PC 板布局。對于所示的設(shè)計(jì)實(shí)例，Mornsun 基于 LS05-13BxxR3 系列提供了 11 種預(yù)制 PC 板布局：兩種用于基本設(shè)計(jì)，三種滿足 B 類 EMI 和 3 級 EMS，三種滿足 A 類 EMI 和 4 級 EMS，以及三種滿足 B 類 EMI 和 4 級 EMS。

　　每一種外圍 PC 板布局也都有一個針對該 PC 板的機(jī)械要求而優(yōu)化的物料清單 （BOM）。例如，對于上述符合 4 級 EMS 和 B 類 EMI 的 LS05-13BxxR3 解決方案，設(shè)計(jì)者可以從三種預(yù)制的外圍 PC 板布局中進(jìn)行選擇（有相應(yīng)的 BOM）。

　　最小高度優(yōu)化：長 48.5 mm，寬 32.2 mm，高 17 mm

　　幾乎相等的長度和寬度尺寸優(yōu)化：長 40.5 mm，寬 37.5 mm，高 23 mm

　　最小寬度優(yōu)化：長 55 mm，寬 25.3 mm，高 23 mm

　　結(jié)論

　　各種應(yīng)用和 EMC 級別的電源設(shè)計(jì)人員都面臨著相似的成本、能效、尺寸和上市時間的挑戰(zhàn)。為了有效競爭并盡量減少庫存，設(shè)計(jì)人員需要能夠采用預(yù)先設(shè)計(jì)的核心模塊，并能輕松地進(jìn)行定制以滿足特定要求。

　　如圖所示，LS-R3 系列板安裝多應(yīng)用 AC/DC 轉(zhuǎn)換器促進(jìn)了這種快速定制，以滿足各種 EMC（包括 EMI 和 EMS）要求，最高可達(dá) B 類 EMI 和 4 級 EMS 性能。此外，預(yù)制 PC 板的可用性保證了使用正確的銅線尺寸和所需的爬電距離和間隙距離。