作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

2025-03-04

隨著電子設(shè)備數(shù)量的激增，惡劣環(huán)境下的功率器件和 AC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊的設(shè)計人員面臨著日益嚴苛的性能、環(huán)境和封裝要求。雖然連接線路的電源轉(zhuǎn)換器模塊的作用沒有發(fā)生根本改變，但要使其能在現(xiàn)場充分發(fā)揮作用，還需要投入更多的工作。

首先是冷卻問題，因為即使是高效電源也會發(fā)熱。然后，設(shè)計人員必須考慮系統(tǒng)層面的電氣和外形要求。最后，轉(zhuǎn)換器必須能夠簡化設(shè)計導入，能夠保護轉(zhuǎn)換器、用戶和負載不受不利因素的影響。

本文將簡要探討針對惡劣環(huán)境的電源系統(tǒng)設(shè)計人員所面臨的挑戰(zhàn)。然后介紹 [Advanced Energy] 的 504 W 接觸傳導冷卻式 AC/DC 轉(zhuǎn)換器系列，并說明該系列轉(zhuǎn)換器如何克服這些挑戰(zhàn)。

攻克冷卻難題，從這里開始

除了極少數(shù)例外情況外，將 AC/DC 轉(zhuǎn)換器集成到系統(tǒng)中時，設(shè)計人員還必須確定如何散熱。盡管現(xiàn)代轉(zhuǎn)換器的效率相對較高，通常可達 80% 至 90% 或更高，但仍會發(fā)熱，因此必須進行散熱以確保電源不會過熱，避免影響性能和可靠性。

根據(jù)熱物理學，有三種散熱方式（圖 1）：

1. 傳導：通過固體表面與固體表面的直接接觸進行散熱
2. 對流：通過移動的流體散熱，其中流體可以是空氣或液體
3. 輻射：以電磁能的形式散熱（主要是紅外線），可在真空中發(fā)生

圖 1：熱能可通過傳導、對流或輻射的方式消散。（圖片來源：Nuclear Power）

輻射冷卻只能傳遞相對較少的熱量，因此，通常情況下不適用于電子系統(tǒng)。然而，對于只能將熱量擴散到真空中的航天器來說，輻射是至關(guān)重要的冷卻方式。

大多數(shù)設(shè)計者更傾向于使用非強制（自然）或強制風冷（風扇）的冷卻策略。在這些冷卻策略下，空氣通過轉(zhuǎn)換器的開口和通風口進入。這些冷卻方法的成本相對較低，也易于評估。

然而，對流冷卻方法在許多實際裝置中并不可行。轉(zhuǎn)換器必須安裝在應(yīng)用的密封外殼 (IP) 內(nèi)，以完全防水、防雨、防塵并防止其他污染物。此外，大多數(shù)標準轉(zhuǎn)換器的物理布局或包裝都不適合傳導冷卻。

如果只能通過從轉(zhuǎn)換器外殼到鄰近表面的熱傳導來進行冷卻，則需要采用不同的設(shè)計。這通常被稱為接觸式冷卻或冷壁式冷卻。Advanced Energy 的 [Artesyn AIF500]電源轉(zhuǎn)換器系列的封裝設(shè)計（圖 2），堪稱這種冷卻方法的典范應(yīng)用。

圖 2：Artesyn AIF500 電源轉(zhuǎn)換器采用接觸或冷壁冷卻方式。（圖片來源：Advanced Energy）

該器件外形扁平，安裝在印刷電路 (PC) 板上。該器件采用行業(yè)標準全磚基板封裝，外形尺寸為 4.6×2.4 in. (116.84 × 60.96 mm)，高度 0.55 in. (13.95 mm)，重 9.2 盎司 (260 g)。

這些器件主要為滿足 5G 電信應(yīng)用的遠程射頻頭射頻電源的要求而設(shè)計，還適用于顯示器和工業(yè)應(yīng)用。這些器件的平均故障間隔時間 (MTBF) 超過一百萬小時。

這種模塊采用基板接觸冷卻設(shè)計（圖 3），可在 -40°C 至 +100°C 的寬基板溫度范圍內(nèi)提供滿載額定功率。

圖 3：AIF500 模塊通過其底板與較冷表面直接接觸，進行傳導冷卻。（圖片來源：Advanced Energy）

選擇電源轉(zhuǎn)換器

任何電源轉(zhuǎn)換器的選擇都以其核心性能要求為出發(fā)點，其中包括，在輸入電壓穩(wěn)態(tài)變化、電壓瞬變、負載需求波動以及環(huán)境溫度變化的情況下，仍能為負載提供穩(wěn)定的輸出電壓。

全封裝 AIF500 器件的工作電壓為 90 VAC 至 264 V AC ?？蛇x項包括 [AIF42BAC-01N] （提供固定 12 V/42 A 輸出）或 [AIF11WAC-01N] （48 V/10.5 A 輸出）。從啟動到全輸出的時間為 3.5 秒 (s)，這是許多應(yīng)用的重要參數(shù)；同時，線路調(diào)節(jié)為 ±0.2%，負載調(diào)節(jié)為 ±4%。

除了寬范圍交流線路輸入和穩(wěn)壓直流輸出外，AIF500 轉(zhuǎn)換器還集成了欠壓鎖定 (UVLO)、過壓保護 (OVP) 和過流保護 (OCP) 等保護功能。內(nèi)部浪涌限流最大限度地減少了為防止啟動電流浪涌造成損壞而采用的外部電路。

此外，這些轉(zhuǎn)換器還獲得了認證，符合相關(guān) EN、UL、加拿大 UL、IEC 和 EN 62368-1 安全標準的要求，并帶有 CE 和 UKCA 安全標志。這些轉(zhuǎn)換器之所以能獲得這些認證，部分原因在于它們具有 4,000 VDC 輸入到輸出、2,500 VDC 輸入到基板以及 100 VDC 輸出到基板的額定隔離電壓。

根據(jù)法規(guī)要求和良好的工程實踐，這類器件必須將熱負荷降至最低，以實現(xiàn)高效運行。在半額定輸出功率或更高功率下工作時，這些轉(zhuǎn)換器的效率可達 90% 以上。例如，在 230 VAC 線路輸入下運行的 12 V 器件，輸出功率為 300 W 或更高時，其效率高于 93%（圖 4）。輸出功率超過 300 W 時，功率因數(shù) (PF) 將高于 0.99，超過了法規(guī)要求。

圖 4：AIF500 在超過額定負荷一半的條件下工作時，其功率轉(zhuǎn)換效率會高于 90%，從而減少了熱耗散并符合法規(guī)要求。（圖片來源：Advanced Energy）

添加系統(tǒng)級特性和功能

除了兩根交流輸入線、兩根直流輸出線和兩根遠程檢測線外，當今的轉(zhuǎn)換器還必須具有其它功能。轉(zhuǎn)換器還必須在系統(tǒng)層面上集成更多的連接和功能。

例如，AIF500 轉(zhuǎn)換器有一個直接的單線“設(shè)備良好”輸出和一個用于遠程啟用的 TTL 電平輸入。未啟用時，其待機功耗為 5 W。這些報告和控制信號只是連接的起點，因為轉(zhuǎn)換器還包括一個 PMBus 接口。

其他功能包括始終保持接通的固定電壓輔助輸出（8 VDC 至 11 V DC ，250 mA），可支持小型關(guān)鍵負載。

單模塊轉(zhuǎn)換器配置只需要一個外部電磁干擾 (EMI) 濾波器、一個保持電容器和一個輸出電容器。

當單個 AIF500 模塊的輸出電流無法滿足應(yīng)用需求時，該系列模塊支持主動均流技術(shù)，通過簡單的模塊間直連即可將單模塊配置擴展至最多 10 個并聯(lián)模塊（圖 5）。這種并聯(lián)輸出布局只需為第二個模塊（以及每個附件模塊）添加保持電容器和輸出電容器，無需其他元器件。

圖 5：單個 AIF500 模塊僅需增加幾個外部元件即可運行（上圖）；如果需要更大的輸出電流，最多可并聯(lián) 10 個（下圖）。(圖片來源：Advanced Energy）

PMBus 支持使用圖形化用戶界面 (GUI)。在開發(fā)階段和應(yīng)用部署期間，GUI 可為設(shè)計人員簡化一個或多個模塊的控制和監(jiān)控工作。通過 GUI，設(shè)計人員能夠深入了解電壓、電流以及關(guān)鍵運行指標和物理點的狀態(tài)。

結(jié)語

堅固耐用型 AC/DC 轉(zhuǎn)換器首先要設(shè)計可靠，但實現(xiàn)充分冷卻始終是難點，在暴露式安裝的情況下尤為突出。全封閉式 Artesyn AIF500 系列轉(zhuǎn)換器采用接觸式冷卻，其底板溫度最高可達 +100°C。這些設(shè)備性能優(yōu)異，提供 PMBus 接口等附加功能和特性，使其能夠用作系統(tǒng)級轉(zhuǎn)換器，并非僅作為基礎(chǔ)穩(wěn)壓電源。

審核編輯 黃宇