设计板载AC-DC转换器之挑战
2019-5-29
板载AC-DC转换器通常被视为只是另一种商品零部件，希望随着技术的发展组件的尺寸可以缩小、成本降低，同时性能得以提高。但小型转换器会面临设计上的限制，如输入电压、工作温度范围以及更严格的安全性和能效标准。本文研究如何权衡这些规范，以及最新一代产品要如何实现性能、尺寸和成本优化来延伸其推广性。
多年来，AC-DC转换器已经变得更加高效，尺寸缩小，与电子设备小型化的总体趋势相吻合。板载AC-DC遵循着相同的道路，但是随着尺寸的减小和功率密度的增加，安全性和散热等性能成了问题。
反激设计通常用于低功率
降低板载AC-DC的成本自然会导向器件数量最少的拓扑结构。低于10W时一定会是一个「反激式」转换器，具备集成功率晶体管和变压器（更精准地说是耦合电感），每路输出带有一个二极管和电容。控制IC直接（初级侧调节）或间接（通过光耦合器进行次级侧调节）对输出电压进行采样，以脉冲宽度或调频，或两者皆有的反馈施加到功率级。通常还有一些额外的滤波器组件将EMI降低到法定水平，而大电容可以为电源中断的维持时间提供能量，如图1所示。高压交流电和输出之间会形成隔离，隔离是由固体绝缘材料或通过空气间隙来达成。跨接在隔离两端的器件如变压器或光耦，将构成能提供足够的隔离以满足国际安全机构的要求
图1：典型低功率AC-DC转换器之反激电路
简单反激拓扑的缺点就是内部电压可能很高，开关上的电压通常为600V或更高，某些器件则承受高纹波电流。例如，输出电容必须承受峰值纹波电流，该电流可能是直流输出电流的1.5至2倍之高。高纹波电流会在电容的ESR中耗散功率并升高温度。根据工作模式的不同，初级开关电流的峰值和均方根也可能大到令人惊讶。由于高压开关具有相对较高的导通电阻，因此会降低效率，功率会在开关和AC电容中产生损耗。
书籍和IC应用笔记有大量的设计数据，即使是新手也能够为简单的反激式转换器选择器件值，加上只要足够了解高频的PCB布局规则和变压器的构造就不难做出可用的产品。如果尺寸并非主要要求，安全间隙的要求就容易满足，有足够的空间让空气自由流动散热。器件可以选择较大的额定值以确保功能性和EMI性能。几乎每个手机充电器都可以看到某种反激式拓扑，因此缩小电子设备的体积绝对可行，但是这些产品是需要在有限的温度范围内工作，例如0 – 40°C的家庭或办公室环境。
另一方面，当空间和成本受到限制，或者AC-DC必须在其他设备内部运行时就会变得极具挑战。如果是工业级应用，可能会有额外的间隙要求来应对潮湿或肮脏的环境，以及要在-40°C到+75°C甚至更高的温度变化中承受更高的瞬态过电压。与商用产品相比，输入电压范围可能更宽，同时也期待更高的可靠性和更长的使用寿命。此外，可能还需要考虑高海拔带来安全性能间隙的影响。
实际设计限制
缩小尺寸的实际限制是最小的安全间距，例如IT和媒体设备的EN 62368-1以及家用电器的EN 60335-1标准要求输入和输出之间的最小间距为9mm，而250VAC系统中的最小间距为4mm。这是针对最恶劣的污染程度和材料类别的标准，可以透过封装设备、带涂层的PCB以及具有相对漏电起痕指数（CTI）的材料来加以放宽，但它说明了「安全的」默认爬电距离对爬电距离是25mm的转换器来说没有实质意义。因此必须仔细设计以充分利用妥协规格，并通过在PCB上开槽或在关键组件上添加分隔器或绝缘帽套来确保规范的最小距离要求。
爬电距离和电气间隙的要求在变压器中也面临一些问题。大功率的大型变压器可以在绝缘挡墙内缠绕标准漆包线，以保证从初级到次级绕组的爬电距离达到6mm。低功率的变压器，线轴的绕线宽度可能只有几毫米，这显然是不行的。解决方案是使用符合安全等级的三重绝缘线（TIW），该电线具有重叠的螺旋缠绕层，保证任何地方都至少有三层绝缘。然而形成EMI屏蔽仍是一个问题，有些设计使用TIW半圈绝缘层，其一端未端接但会经过谨慎的绝缘处理。
难以小型化的器件包括输入中的大容量存能电容器。它有提供平滑直流总线电压的功能，并在电源中断期间提供「维持」所需的能量。常见的专业要求是从115V或230VAC的标称输入电压保持20ms的运行时间（一个主电源周期为50Hz）。例如，电容器在115VAC整流下所看到的电压平均约为150V，电源频率纹波约为20V。电源中断时电容会放电，同时转换器必须在输入断电的情况下持续运行20ms。实际上，转换器可以在低至70V的电压下工作，因此如果使用效率为75%的5W输出转换器，您可以计算出需要20ms的能量的电容能量损耗：
方程式1
需要一个18pF的电容，该电容要在400V的额定电压下获得最高的AC输入。铝电解电容是最小的类型，即使高温版本也只有约3cm3。适用于许多反激电路要有20ms的维持时间，经验法则是，对宽输入范围的最低要求为2µF/W，对230V标称电压则为1µF/W。任何小于此的电容值都会使问题变得更糟因为纹波电压反而会更大，从而减小了电压裕度并导致输出电压骤降的电源故障。
板载AC-DC转换器产生的传导EMI电平接近大功率产品，因为共模噪声不会随着功率变化，而是由于内部dV/dt高电平通过杂散电容耦合而产生的，每个设计都会发生。因此简单的低功率设计可能需要比转换器本身更大的EMI滤波器才能满足排放标准。控制IC设计人员使用谐振或半谐振拓扑和技术（如频率抖动）控制dV/dt来解决该问题，这个技术可以降低标准测量接收机带宽中的平均EMI。板载AC-DC转换器通常是一个没有初级接地的Class II设备，但它们的输出通常会在实际应用中接地来为共模传导噪声提供路径。初级到次级的Y电容有助于减少高频干扰，但不能加到太大因为如果输出未接地，危险的交流电流可能使用户触电。某些家用标准（例如EN 60335）要求非常低的电容值并且要串联两个Y电容以预防其中一个故障。在微型封装内安装两个串联电容，同时每个电容在引脚之间都保留足够的安全爬电距离是非常困难的，通常都让使用者自行添加以符合EMC标准。
图2：Class II应用可能需要两个 Y电容以达到EMI和安全标准
越来越多低功率AC-DC转换器是由277VAC的标称电压、305VAC的峰值供电。这是三相115VAC系统中的线与中性点之间电压，常在美国和亚洲的大型建筑物中使用。与230VAC系统和更强的器件相比，更高的电压需要更大的间距和更高的额定电压器件。例如，大容量电容的最小额定值为450VDC。对小型转换器来说这增加了空间问题。相同的零件要在480VAC（峰值525VAC）低至85VAC（100VAC系统的最小容限）的条件下工作，这让要求更加严苛。高电压和极端的输入范围增加了器件应力和安全间距的难度，特别是当规格要求小尺寸、低成本又高效的时候！
运行海拔高度有时会被忽略；功率转换器的电气间隙标准通常设定在2000m。更高海拔的间隙会大幅增加。例如，根据EN 62368-1标准（图3），在5000m的高度间隙要乘以1.48倍（这看似极端，但是全球有八个首都的海拔超过2000m）。此外，高海拔地区有许多肺科诊所，因此高于2000m的情况很常见，而这增加了小空间设计的难度。
图3：以海平面为基准的电气间隙和测试电压修正系数（来源EN 62368-1）
用于PCB安装的AC-DC应该要跟其他电路板器件相同的环境下运行，通常无需任何特殊的散热装置。我们已经得知高纹波带来了高损耗，因此产品设计的重点是控制内部温度，在环境温度内尽可能提高功率。随着外壳越来越小，有效的散热面积也越来越少，让问题更加复杂。
模块化解决方案
RECOM接受了设计低成本、工业规格的板载AC-DC转换器的挑战。转换器的系列规格为1W至30W，工作电压至少为85VAC至264VAC。有些还包括305VAC。5W的产品，RA05-K/480的最高工作电压为525VAC。转换器可提供高达5000m的额定海拔高度，最低的工作温度为-40°C，最高+90°C（降额）。行业领先的新3W转换器的尺寸为22.5mm x 27.94mm x 18mm，20W版本也仅25.4mm x 50.8mm x 23mm。特别的是，该系列包括圆形封装的3W、18W和30W。可用于标准、嵌入式、壁挂式安装，其中超薄型3W部件仅11mm高。该系列中的所有部件均获得EN 60950或EN 62368 ITE安全认证，大多数有EN 60335家用电器认证，而18W和30W圆形转换器具有医疗认证以及有线连接。图4总结了系列规格。
图4：RECOM板载AC-DC转换器规格
参考文献 [1] RECOM: www.recom-power.com
RECOM: We Power your Products
反激设计通常用于低功率
降低板载AC-DC的成本自然会导向器件数量最少的拓扑结构。低于10W时一定会是一个「反激式」转换器，具备集成功率晶体管和变压器（更精准地说是耦合电感），每路输出带有一个二极管和电容。控制IC直接（初级侧调节）或间接（通过光耦合器进行次级侧调节）对输出电压进行采样，以脉冲宽度或调频，或两者皆有的反馈施加到功率级。通常还有一些额外的滤波器组件将EMI降低到法定水平，而大电容可以为电源中断的维持时间提供能量，如图1所示。高压交流电和输出之间会形成隔离，隔离是由固体绝缘材料或通过空气间隙来达成。跨接在隔离两端的器件如变压器或光耦，将构成能提供足够的隔离以满足国际安全机构的要求
图1：典型低功率AC-DC转换器之反激电路
简单反激拓扑的缺点就是内部电压可能很高，开关上的电压通常为600V或更高，某些器件则承受高纹波电流。例如，输出电容必须承受峰值纹波电流，该电流可能是直流输出电流的1.5至2倍之高。高纹波电流会在电容的ESR中耗散功率并升高温度。根据工作模式的不同，初级开关电流的峰值和均方根也可能大到令人惊讶。由于高压开关具有相对较高的导通电阻，因此会降低效率，功率会在开关和AC电容中产生损耗。
书籍和IC应用笔记有大量的设计数据，即使是新手也能够为简单的反激式转换器选择器件值，加上只要足够了解高频的PCB布局规则和变压器的构造就不难做出可用的产品。如果尺寸并非主要要求，安全间隙的要求就容易满足，有足够的空间让空气自由流动散热。器件可以选择较大的额定值以确保功能性和EMI性能。几乎每个手机充电器都可以看到某种反激式拓扑，因此缩小电子设备的体积绝对可行，但是这些产品是需要在有限的温度范围内工作，例如0 – 40°C的家庭或办公室环境。
另一方面，当空间和成本受到限制，或者AC-DC必须在其他设备内部运行时就会变得极具挑战。如果是工业级应用，可能会有额外的间隙要求来应对潮湿或肮脏的环境，以及要在-40°C到+75°C甚至更高的温度变化中承受更高的瞬态过电压。与商用产品相比，输入电压范围可能更宽，同时也期待更高的可靠性和更长的使用寿命。此外，可能还需要考虑高海拔带来安全性能间隙的影响。
实际设计限制
缩小尺寸的实际限制是最小的安全间距，例如IT和媒体设备的EN 62368-1以及家用电器的EN 60335-1标准要求输入和输出之间的最小间距为9mm，而250VAC系统中的最小间距为4mm。这是针对最恶劣的污染程度和材料类别的标准，可以透过封装设备、带涂层的PCB以及具有相对漏电起痕指数（CTI）的材料来加以放宽，但它说明了「安全的」默认爬电距离对爬电距离是25mm的转换器来说没有实质意义。因此必须仔细设计以充分利用妥协规格，并通过在PCB上开槽或在关键组件上添加分隔器或绝缘帽套来确保规范的最小距离要求。
爬电距离和电气间隙的要求在变压器中也面临一些问题。大功率的大型变压器可以在绝缘挡墙内缠绕标准漆包线，以保证从初级到次级绕组的爬电距离达到6mm。低功率的变压器，线轴的绕线宽度可能只有几毫米，这显然是不行的。解决方案是使用符合安全等级的三重绝缘线（TIW），该电线具有重叠的螺旋缠绕层，保证任何地方都至少有三层绝缘。然而形成EMI屏蔽仍是一个问题，有些设计使用TIW半圈绝缘层，其一端未端接但会经过谨慎的绝缘处理。
难以小型化的器件包括输入中的大容量存能电容器。它有提供平滑直流总线电压的功能，并在电源中断期间提供「维持」所需的能量。常见的专业要求是从115V或230VAC的标称输入电压保持20ms的运行时间（一个主电源周期为50Hz）。例如，电容器在115VAC整流下所看到的电压平均约为150V，电源频率纹波约为20V。电源中断时电容会放电，同时转换器必须在输入断电的情况下持续运行20ms。实际上，转换器可以在低至70V的电压下工作，因此如果使用效率为75%的5W输出转换器，您可以计算出需要20ms的能量的电容能量损耗：
方程式1
需要一个18pF的电容，该电容要在400V的额定电压下获得最高的AC输入。铝电解电容是最小的类型，即使高温版本也只有约3cm3。适用于许多反激电路要有20ms的维持时间，经验法则是，对宽输入范围的最低要求为2µF/W，对230V标称电压则为1µF/W。任何小于此的电容值都会使问题变得更糟因为纹波电压反而会更大，从而减小了电压裕度并导致输出电压骤降的电源故障。
板载AC-DC转换器产生的传导EMI电平接近大功率产品，因为共模噪声不会随着功率变化，而是由于内部dV/dt高电平通过杂散电容耦合而产生的，每个设计都会发生。因此简单的低功率设计可能需要比转换器本身更大的EMI滤波器才能满足排放标准。控制IC设计人员使用谐振或半谐振拓扑和技术（如频率抖动）控制dV/dt来解决该问题，这个技术可以降低标准测量接收机带宽中的平均EMI。板载AC-DC转换器通常是一个没有初级接地的Class II设备，但它们的输出通常会在实际应用中接地来为共模传导噪声提供路径。初级到次级的Y电容有助于减少高频干扰，但不能加到太大因为如果输出未接地，危险的交流电流可能使用户触电。某些家用标准（例如EN 60335）要求非常低的电容值并且要串联两个Y电容以预防其中一个故障。在微型封装内安装两个串联电容，同时每个电容在引脚之间都保留足够的安全爬电距离是非常困难的，通常都让使用者自行添加以符合EMC标准。
图2：Class II应用可能需要两个 Y电容以达到EMI和安全标准
越来越多低功率AC-DC转换器是由277VAC的标称电压、305VAC的峰值供电。这是三相115VAC系统中的线与中性点之间电压，常在美国和亚洲的大型建筑物中使用。与230VAC系统和更强的器件相比，更高的电压需要更大的间距和更高的额定电压器件。例如，大容量电容的最小额定值为450VDC。对小型转换器来说这增加了空间问题。相同的零件要在480VAC（峰值525VAC）低至85VAC（100VAC系统的最小容限）的条件下工作，这让要求更加严苛。高电压和极端的输入范围增加了器件应力和安全间距的难度，特别是当规格要求小尺寸、低成本又高效的时候！
运行海拔高度有时会被忽略；功率转换器的电气间隙标准通常设定在2000m。更高海拔的间隙会大幅增加。例如，根据EN 62368-1标准（图3），在5000m的高度间隙要乘以1.48倍（这看似极端，但是全球有八个首都的海拔超过2000m）。此外，高海拔地区有许多肺科诊所，因此高于2000m的情况很常见，而这增加了小空间设计的难度。
图3：以海平面为基准的电气间隙和测试电压修正系数（来源EN 62368-1）
用于PCB安装的AC-DC应该要跟其他电路板器件相同的环境下运行，通常无需任何特殊的散热装置。我们已经得知高纹波带来了高损耗，因此产品设计的重点是控制内部温度，在环境温度内尽可能提高功率。随着外壳越来越小，有效的散热面积也越来越少，让问题更加复杂。
模块化解决方案
RECOM接受了设计低成本、工业规格的板载AC-DC转换器的挑战。转换器的系列规格为1W至30W，工作电压至少为85VAC至264VAC。有些还包括305VAC。5W的产品，RA05-K/480的最高工作电压为525VAC。转换器可提供高达5000m的额定海拔高度，最低的工作温度为-40°C，最高+90°C（降额）。行业领先的新3W转换器的尺寸为22.5mm x 27.94mm x 18mm，20W版本也仅25.4mm x 50.8mm x 23mm。特别的是，该系列包括圆形封装的3W、18W和30W。可用于标准、嵌入式、壁挂式安装，其中超薄型3W部件仅11mm高。该系列中的所有部件均获得EN 60950或EN 62368 ITE安全认证，大多数有EN 60335家用电器认证，而18W和30W圆形转换器具有医疗认证以及有线连接。图4总结了系列规格。
图4：RECOM板载AC-DC转换器规格
参考文献 [1] RECOM: www.recom-power.com
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