安装裸板型和U外壳型PSU以确保安全和性能

winniewei 提交于 周二, 05/14/2019
安装裸板型和U外壳型PSU以确保安全和性能

Gary Bocock, XP Power技术总监

许多(如果不是大多数)AC/DC电源(PSU)以裸板型交付,这意味着它们没有完全封闭。由于它们通常安装在设备内部,这种方法可以最有效地使用任何强制空气冷却,并节省成本。由于这些设备需要专业安装,因此它们被视为组件,为了安全起见,需要依靠产品外壳,并保护它们不受元件的影响。

U外壳型是这个主题的一个变体,由一个安装在U型铝底板上的裸板型PSU组成。铝通常包含多个预钻孔和螺纹孔,安装人员可以选择多种安装方式。从热管理的角度来看,PSU制造商可以将主要半导体与铝热粘合,从而创建更好的热传导路径,提高PSU的性能和可靠性。

在计划安装任何类型的PSU时,包括裸板型和U外壳型,设计者必须考虑几个因素。不可避免地,安全、热管理和电磁兼容性(EMC)成为首要考虑因素。

PSU的规格可能很复杂,尤其是在考虑线路电压和温度变化的降额时,破译最佳情况额定值和实际值之间的差异。高质量的PSU不需要在线路(输入)电压低至90Vac的情况下降低功率,并且可以在环境温度至少为50摄氏度的情况下保持满载功率。如果线路电压降至90Vac,设计裕度较低的PSU可能需要20%的降额,并且可能难以在40摄氏度以上提供满载功率,所有这些都可以满足设计要求并限制最终应用的性能。

安全至关重要

安全考虑可能看起来很复杂,因为它们与单个PSU的功率和电压额定值以及最终应用相关,医疗应用是其中最严格的。标准将规定必须维持到电源所有面上的爬电距离和间隙距离;这些距离与PSU任何主要部件和任何接地金属部件之间的距离有关。例如,Class I系统要求该距离为2毫米(医疗应用为2.5毫米)。为了确保一致性,通常在PSU安装中添加绝缘体。

Class I类PSU提供安全接地连接,由于这是整个系统安全系统的重要组成部分,因此必须正确连接到设备安全接地。实现这一点的方法有几种,通常包括使用交流电源输入连接器、使用“铲”型Faston连接器或其中一个安装衬套。为达到系统的敏感度和排放要求,提供多个接地点并不罕见——这些不是选项,必须全部连接以确保适当的性能和遵守法规。

Class II系统中,间隔距离通常大于Class I,尽管使用非金属(因此不导电)外壳通常会抵消这些距离。

1

图1:裸板型电源

使用U外壳型PSU的一个很好的原因是,它可以显著简化许多有关安全的问题。例如,PSU制造商将把安全接地连接到机板上,安装人员只需要用通常提供的固定件将机箱连接到设备外壳上。由于制造商也将裸板型PSU安装在外壳中,因此所有间隙都将得到处理,但是安装人员应密切注意PSU组件的顶部和U外壳型的终端部,因为它们是外露的,因此需要确保不会违反安全距离。

21

2a 2b:有盖和无盖的U外壳型电源

U外壳型不仅使安全性更容易,而且使安装方法更简单。安装裸PCB时,必须将支架和其他硬件添加到物料清单(BOM)中并进行采购。相比之下,与螺纹安装位置相比,U外壳型PSU只需要标准的机器螺钉。但是,制造商提供最大螺钉长度时必须遵守这些指导,以避免降低任何安全临界爬电距离和间隙距离。

由于U外壳型可以直接固定在设备机板上,而PSU制造商将发热功率半导体连接到机板上,因此在环境中形成了低电阻热通道。这将降低组件的温度和外壳内的环境温度,从而延长组件的使用寿命。

所有类型的PSU都包括一个输入保险丝,用于医疗应用的PSU通常包括两个一般安全所需的保险丝,并在发生灾难性故障时作为防火措施。在大多数情况下,保险丝是PSU不可分割的一部分,不可由用户更换。

在熔合问题上,大多数裸板型和U外壳型PSU需要接线,以将线路输入传输到PSU本身的输入端。除了相关的指示器、连接器和开关外,电缆也是可能发生灾难性故障的另一个区域,因此必须进行熔合。

在选择输出接线时,安装人员不仅必须考虑PSU的正常额定输出,还必须考虑故障情况下可能出现的电流和电压水平,并相应地选择接线,以确保在所有条件下都能保持安全。

最后的安全考虑是确保PSU的安装方式能够保持其热额定值。许多安全关键部件具有必须遵守的最高温度额定值。

电磁兼容噪声性能

虽然接地连接对安全很重要,但它们在遵守EMC法规方面也有重要作用,这就是为什么许多裸板型PSU将有两个或三个接地点的原因。靠近输入端(在Class I系统中)的点通过Y电容器(共模滤波电容器)接地线路和中性点,并提供安全接地连接。Y电容器(连同共模电感器)的主要作用是减少电源内电压尖峰引起的噪声尖峰。

在输出级也有共模电容滤波器,以降低电流相关噪声,并提供第二个接地连接,以便直接接地。由于这些滤波器对电磁兼容性性能至关重要,因此所有接地点都通过低阻抗接地路径连接,这对于法规遵从性至关重要。

在任何有金属外壳的应用中,这是很容易实现的,但即使外壳是由非导电材料(如塑料)制成,电磁兼容性相关接地的要求仍然存在。在这些情况下,安装人员必须找到另一种方法来接地这些点。

虽然这看起来很复杂,但PSU制造商总是会在数据表上确定需要接地(或通信)的点,因此这是一个很好的信息来源,如图所示。

1

图3:显示安装点接地连接的裸板型电源设计图

理想情况下,通过将PSU固定到接地金属板上,这些连接不需要电线。在不寻常的情况下,这可能是不可能的或实际的,因此使用了电线。如果使用导线,则必须小心地指定(或过度指定),以确保低阻抗以及确保寄生元件不会影响滤波器的性能。多股电缆通常是一个好的选择,但直接安装到一个板总是首选。

对于U外壳型PSU,PSU制造商通常会向设备提供与机板相连的所有相关接地连接,从而简化安装程序的任务。为了确保机板与外壳之间有良好的电气连接,必须使用几个安装点,使用导电螺钉,因为这也可将寄生元件降至最低。

1

图4:U外壳型电源的典型设计细节,详细说明固定件和连接件

用于电源供电和输出的电缆可以辐射并易受噪声影响。因此,必须将它们整齐地连接起来,以避免彼此以及PSU的任何开放性方面可以拾取开关噪声,从而将系统噪声增加到法律允许的水平以上。

与温度有关的注意事项

PSU可以提供的电量可能会有很大的变化,这取决于其放置环境、安装方式以及任何移动空气的可用性。因此,PSU制造商在几种情况下对其产品进行鉴定,对于裸板型和U外壳型PSU,通常提供自然对流和强制空气冷却的额定值。

每个应用程序和安装都是不同的,相同的PSU在不同的应用程序中的性能可能非常不同,因此必须对每个应用程序进行全面评估。安装人员需要考虑PSU的安装位置及其方向,以及周围的空间外壳,以及是否将PSU放置在强制气流中。最大负荷也是一个因素,附近的任何发热部件也是一个因素。

在系统原型制作过程中,应检查关键安全部件的温度,最好使用非侵入性方法,如红外温度计-热电偶可以充当散热器并影响测量。大多数制造商将确定几个关键部件,它们的位置和允许它们达到的最高温度(在任何操作条件下),这将确保不会超过安全额定值,并且不会对预期部件寿命造成不利影响。

由于裸板型和U外壳型PSU通常不包含风扇,因此主要的磨损机制是大型电解电容器。制造商通常在数据表中提供这些组件的使用寿命估计。

1

图5:显示24/7运行安全限值和估计使用寿命的表和图

这些估计值考虑了制造商在最大额定温度和PSU正常运行期间预期温度下电容器的设计寿命。

纹波电流等因素会影响电容器的使用寿命,但由于纹波电流难以量化,其影响通常被忽略。相反,使用阿累尼乌斯关系将寿命与工作温度联系起来。简单地说,阿累尼乌斯说,每升高10摄氏度,预期寿命就减半。这就清楚地说明了在PSU的工作寿命期间管理这些关键组件的温度的重要性。

相关文章