使用開放式 AC/DC 電源供應器時如何確保達到最佳結果

AC/DC 電源供應器有時會稱為「離線式」電源，廣泛用於照明、顯示、資訊技術和工業應用。幾乎是所有電子系統的標準建構模塊，但也有單純用電池供電的系統是例外。

不同款式的電源會以開放式的型式供貨，再嵌入到 OEM 系統中作為基本未封裝的 PC 板，最後依賴最終產品的封裝達到必要的整體外殼。這些電源可在寬廣的 AC 線路電壓範圍內工作，並提供多種輸出電壓、電流與功率的組合。

雖然功能完整且相對容易使用，但工程師在使用時也要瞭解一些設計導入的考量。包括：

• 電氣安全／規範
• 熱管理與降額
• 電磁相容性

本文將以開放式電源為主探討上述考量，並以 XP Power 旗下的 LCE80 系列對流熱式 80 W 電源為例說明。

電源供應器：自製或購買？

一般來說，要挑選電源時會先問的問題之一就是「應該要自製還是購買？」。會這樣問是因為設計與打造一個或幾個基本可運作的 100 W 以下電源單元並不困難，至少原則上來說是這樣。

但實際上要做時則複雜許多，且會遇到多種層面的情況，因此設計與結構要符合下列條件：

• 在所有工作條件下都要符合規格運作，包括 AC 線路高／低暫態效能與溫度範圍
• 須具備防護功能，如過壓防護、欠壓鎖定與熱截止
• 瞭解並符合全球法規對安全、效率和靜態功率所制訂的眾多複雜要求
• 因應多種衝擊和振動要求
• 包括效能測試、驗證和認證的計畫

現實情況是，即使是在這方面經驗老到的工程師團隊，要在合理的時間內、可接受的前期一次性工程費用 (NRE)、物料清單 (BOM)、生產設置以及測試與資格成本下，達到成功的設計，也是極具挑戰性。

即便標準裝置無法符合要求，大多數 AC/DC 電源供應商也有提供客製化服務，可修改標準電源，以符合獨特的要求，同時仍然納入許多技術和法規要求。

從開放式實作開始

開放式電源在業界是指單純板結構，可當作單一完整的元件，例如 LCE80 系列的產品 (圖 1)。可安裝在最終設備應用中，再由最終產品為電源提供實體和電氣保護外殼。開放式電源具有安裝靈活性、優異的效能、符合法規標準和要求，並且是符合成本效益的解決方案，能讓設計團隊更專注於系統設計的其餘部分以及差異化。

圖 1：LCE80 系列 80 W 開架式電源供應器會將所有必要的元件都裝在單一 PC 版上。(圖片來源：XP Power)

開架式電源供應器與另一種廣泛使用的 AC/DC 電源 (稱為 U 通道) 有所不同，後者的電源供應電路板裝在通常由鋁製成的 U 形底盤中 (圖 2)。XP Power.的 VCS100US12 100 W 電源就是一個不錯的例子。底盤還能讓設備製造商以多種選項，將電源安裝到最終組件中，而且通常含有可拆卸的護蓋，可提供電氣和實體保護，且已穿孔以便氣流通過。

圖 2：100 W VCS100US12 U 通道電源供應器含有可拆卸護蓋。(圖片來源：XP Power)

雖然開放式電源已完整且就緒使用，仍有考量一些與電氣安全／法規問題、熱效能與限制，以及電磁相容性相關的事項。

電氣安全／法規遵循：使用開放式電源時，務必瞭解間隔與沿面距離的要求。間隔是指兩個導電零件之間隔空最短的距離，沿面距離則是指兩個導電零件之間沿著固體絕緣材料表面的最短距離。這兩個因素的最小值要求是供應電壓以及工作條件的函數，例如預期污染所引起的灰塵、濕氣，以及周遭空氣或高電壓節點表面之間的其他微粒物質。

圖 3：電路板設計必須符合間隔的最小尺寸，即兩個導電零件之間隔空的最短距離；也要符合沿面距離，即兩個導電零件之間沿著絕緣材料表面的最短距離。(圖片來源： Altium Limited)

電源供應器也一具最終應用分成幾種 IEC 類別：

• Class I：可透過絕緣以及防護接地的組合達到使用者的觸電防護
• Class II：可透過兩層級的絕緣 (雙層或增強) 達到使用者觸電防護

Class I 系統要求任何接地金屬零件與電源供應器的任何主要零件之間必須間隔至少 3 或 4 mm，視最終應用屬於工業或醫療而定。可能要再開放式電源供應器組件周圍放置額外的絕緣體；Class II 電源可能需要較大的沿面距離與間隔距離。

若要使用 Class I 電源，電源的安全接地連接屬於電氣系統的一部份，必須穩固連接到設備的安全接地。此外，組件有可能需要超過一個接地連接，這會影響電氣輻射與易感性效能 (以下將進一步探討)。

開放式與 U 通道電源供應器兩者都含有一體式保險絲；若是醫療設備應用，則需要兩個保險絲。

保險絲通常是永久安裝在電源供應器中，且在設計上不能現場替換，因為保險絲只有一種情況才會作用 (開路)，那就是電源故障，因此系統必須維修或替換後才能再次使用。系統層級的熔斷可能還有額外的要求，以便預防互連纜線和連接的問題，以及其他與電源無關的電路問題。

熱管理與降額：熱是所有電子系統中眾所周知的問題，因為這是元件疲勞和應力誘發故障的主要原因，包括熱循環造成的斷裂。無論電源的具體電壓和電流額定值為何，設計人員主要的關切是電源提供的總功率 (W)。

廠商通常設計一系列電源供應器，以達到指定的最大供應功率額定值，然後再設定電壓和電流配對以匹配。例如，XP Power 的 LCE80 系列的額定值為 80 W。最低電壓的單元 LCE80PS05 可在高達 12 A 下提供 5 V；最高電壓的 LCE80PS54 可在高達 1.48 A 下提供 54 V。兩者之間還有八種 DC 輸出選項，分別為 12 V、15 V、20 V、24 V、30 V、36 V、42 V 和 48 V。

這些電源可在 90 至 305 VAC 輸入電壓範圍內工作，即便在 90 V 的低線路電壓下也可提供滿載功率。效率非常接近 90%，代表電源僅耗散 8 W；其餘的 72 W 都可用於滿足系統需求。系列所有成員的尺寸為 101.6 mm x 50.8 mm x 27.9 mm。工作溫度介於 -40°C 至 +70°C，並可在 -30°C (在高線路 AC 下則為 -40°C) 至 +50°C 之間提供全功率。平均故障間隔時間 (MTBF) 為 300 千小時，符合 MIL-HDBK-217F。

此系列的所有單元都符合許多相關法規標準，包括但不限於導通與輻射排放的 EN55032 Class B；EMC 耐受性的 EN55035、EN61547 和 EN61000-4-2/3/4/5/6/8/11；50 W 負載以上的 EN61000-3-2 諧波電流 Class C。安全許可包括 CB IEC62368-1 (ITE)、IEC60950-1 (ITE)、UL62368-1 (ITE)、TUV EN62368-1 (ITE)、EN61347 (照明) 和 UL8750 (照明)。

任何電源的效率都相當重要，因為會決定發熱的管理情況。開放式電源供應器可使用被動對流、主動強制空氣 (風扇) 或兩者的組合來散熱。許多設計人員都偏好選擇單純採用被動空冷即可達到額定值並發揮指定功用的電源，而不使用風扇。箇中理由很多，包括：

• 可節省直接 BOM 的成本並縮短產品組裝時間。
• 可減少一個潛在故障來源，即風扇，否則其漣波效應會引發過熱並大幅縮短電源的使用壽命。
• 可避免與風扇速度與運作管理相關的問題，通常是起因於環境溫度的感測。
• 明顯更安靜，這在許多情況下屬於重要因素。
• 可避免使用者不小心擋住風扇進出風口而發生過熱問題的情況。

簡而言之，少掉風扇需求就可大幅提升整體系統的可靠度、簡化機械設計並降低成本。為了邁向無風扇，設計人員有必要查看電源供應器的規格書，瞭解是否需要強制空氣散熱才能達到表定規格，或單純使用被動對流是否就已足夠。

此檢驗工作包括檢查廠商保證可在所有規格下達到效能時的最高溫度，以及降額曲線，其可指出輸出功率在超越臨界溫度後會降低多少。設計良好的電源可在 50°C 下以及降低至 90 VAC 輸入時維持額定功率。相對地，有些產品僅宣傳「檯面上」的功率額定值，但在低 AC 線路電壓下會迅速降額最多 20%，並在環境溫度最低從 40°C 開始就將可用功率降額。針對 LCE80 系列，可在高達 50°C 時保證提供完整效能，並在最高 70°C 溫度下，線性降額最多 50% (圖 4)。

圖 4：LCE80 系列的降額曲線指出這些電源可在高達 50°C 時維持 80 W 效能，接著在 70°C 最高工作溫度時降低 50% 至 40 W。(圖片來源：XP Power)

每個應用的安裝位置、方向、可用的周圍空間、施加的負載、周遭零件，以及任何空氣散熱方式都是獨特的。因此針對開放式電源，而非系統外殼內其他地方的溫度進行測量並建立模型相當重要，因為其他地方的溫度可能區域之間相差甚大。

判定電源的預估服務壽命時有個關鍵的因素，就是依據關鍵電解電容的溫度而製作的壽命曲線，因為這是唯一有磨損機制的零件。所有的電解電容壽命計算都使依據阿瑞尼斯方程式得來。在溫度每上升 10°C 時，反應速度會加倍，因此壽命會減半 (圖 5)。服務壽命是否良好的指標，可透過元件機殼溫度的測量，並在指定溫度與設計壽命時應用阿瑞尼斯方程式來判定。

圖 5：兩種典型電解電容的熱降額曲線指出，溫度每增加 10°C 其壽命就會減半，如阿瑞尼斯方程式所述 (圖右)。(圖片來源：XP Power)

電磁相容性問題：開放式電源供應器通常要有兩個甚至三個安裝點連接到大地接地，以符合標準。在 Class I 系統中，其中一個連接必須用於安裝接地，並位於組件的輸入端。此連接也會連接線路對接地，以及中性線對接地共模濾波器電容，亦稱為 Y 電容 (圖 6)。

圖 6：Y 電容可當作共模濾波器，並且用於電源供應器的輸入端，會連接線路與中性線對接地。(圖片來源：www.blogranya.blogspot.com)

這些電容可在電源供應器中搭配共模電感一同運作，在電源供應器級中將電壓迅速變化相關的雜訊加以衰減。這些輸出共模電容對於電源供應器的 EMC 效能相當關鍵，必須加以連接以達到最佳化的 EMC 效能。

必須將這些點互連，確保開放式電源的 EMC 合規性。需要連接接地或互連的點通常會標示在電源供應器的規格書中，而連接這些點最好的方法就是將電源裝在接地的金屬板上 (圖 7)。

圖 7：圖面上標記有大地接地符號的安裝孔必須在 Class I 應用中接至安全接地，或在 Class II 應用中彼此互連。 (圖片來源：XP Power)

此板無需接至其他任何東西，因為其作用是以低寄生元件提供低阻抗路徑，以便濾波器電容連接到接地。標記有大地接地符號的安裝孔必須在 Class I 應用中接至安全接地，或在 Class II 應用中彼此互連。

在通行準則中，電源的所有輸入與輸出纜線必須彼此分開，避免貼近開放式組件。如此即可將其潛在問題降至最低，以免電源供應器內產生的電磁輻射引起導通與輻射放射並影響最終設備。

結論

設計人員可集中使用單一系列的開放式電源，搭配不同的電壓／電流額定值，同時保持其他所有因素不變，藉此縮短並增進其設計導入流程。如此一來，即可簡化安裝、接地、EMC、熱分析、降額考量，、效能波封計算、實體連接與接線作業。