AC-DC napajalniki brez ohišja – včasih imenovani »off-line« napajalniki – se pogosto uporabljajo na področju razsvetljave, zaslonov, informacijske tehnologije in industrijskih aplikacij. So standardni sestavni del skoraj vseh elektronskih sistemov, z izjemo tistih, ki se napajajo samo z baterijami.
Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
2021-301-26
Različice teh napajalnikov so dobavljene kot enote brez ohišja, namenjene za vgradnjo v OEM sisteme kot osnovne, nezaprte plošče tiskanega vezja, pri katerih se računa, da bo zaščita celotnega sistema zagotovljeno z ohišjem končnega izdelka. Ti napajalniki delujejo v širokem razponu AC napetosti, ponujajo pa se v številnih kombinacijah izhodne napetosti, toka in moči.
Čeprav so napajalniki funkcionalno celoviti in relativno preprosti za uporabo, se morajo inženirji pri njihovi uporabi kljub temu zavedati določenih pomislekov glede njihove zasnove. Mednje sodijo:
- električna varnost/predpisi
- toplotno upravljanje in zmanjšanje moči
- elektromagnetna združljivost
Ta članek zajema pregled teh pomislekov v kontekstu napajalnikov brez ohišja proizvajalca XP Power in njegove družine konvekcijsko hlajenih, 80-vatnih (W) napajalnikov LCE80.
Napajalniki: Izdelati ali kupiti?
V preteklosti je bilo eno prvih vprašanj, povezanih s potrebo po enem o teh napajalnikov, »naj ga izdelamo ali kupimo?«. Utemeljitev za tem je, da načrtovanje in izdelava ene ali nekaj enot osnovnega, delujočega <100 W napajalnika ni težka, vsaj ne načeloma.
V praksi pa je to precej bolj zapletena in večdimenzionalna situacija, ki zahteva načrtovanje in gradnjo, ki:
- deluje s skladu s specifikacijami pri vseh pogojih delovanja, vključno z visoko-/nizkonapetostno AC linijo, prehodno zmogljivostjo in temperaturnim razponom;
- zagotavlja potrebne zaščitne funkcije, kot so prenapetostna zaščita, odklop pri prenizki napetosti in toplotni izklopi;
- upošteva in izpolnjuje številne zapletene globalne regulativne zahteve glede varnosti, učinkovitosti ter moči v mirovanju;
- naslavlja različne zahteve glede udarcev in vibracij;
- vključuje načrt za preskušanje, preverjanje in certificiranje delovanja.
To predstavlja resnično velike izzive, celo za ekipo veščih inženirjev, ki imajo veliko izkušenj na tem področju, da lahko pripravijo uspešno zasnovo v razumnem času ter s sprejemljivim vnaprejšnjim neponavljajočim se inženiringom (NRE), kosovnico (BOM), pripravo proizvodnje ter stroški preskušanja in kvalifikacije.
Tudi kadar zahtev ni mogoče izpolniti s standardno enoto, večina ponudnikov AC-DC napajalnikov ponuja storitve prilagajanja, v okviru katerih prilagodijo standardni napajalnik tako, da izpolnjuje posebne zahteve, hkrati pa še vedno ustreza številnim tehničnimi in regulativnim zahtevam.
Začetek implementacije brez ohišja
Napajalnik brez ohišja je panožna oznaka za konstrukcijo samo s ploščo, ki deluje kot posamezna, celovita komponenta, kot so te iz družine LCE80 (slika 1). Namesti se v končno opremo, ta končni izdelek pa zagotavlja ohišje za fizično in električno zaščito napajalnika. Napajalniki brez ohišja ponujajo prilagodljivost namestitve, odlično zmogljivost, izpolnjevanje regulativnih standardov in zahtev, hkrati pa so cenovno ugodne rešitve, ki omogočajo ekipi načrtovalcev, da se bolj osredotoči na ostale dele zasnove sistema in njihovo diferenciacijo.
Napajalnik brez ohišja ni enak drugemu široko razširjenemu AC-DC napajalniku, imenovanemu U-kanal, pri katerem je tiskano vezje napajalnika nameščeno v ogrodje U-oblike, ki je običajno izdelano iz aluminija (slika 2). Dober primer je 100-vatni napajalnik VCS100US12 proizvajalca XP Power. Ogrodje proizvajalcu opreme prav tako ponuja številne možnosti za namestitev napajalnika v končni sestav, pogosto pa zajema tudi odstranljiv pokrov, ki zagotavlja električno in fizično zaščito ter je naluknjan, da omogoča pretok zraka.
Napajalnik brez ohišja je sicer celovit in pripravljen za uporabo, vendar je treba upoštevati določene pomisleke glede električne varnosti/regulativnih zadev, toplotne zmogljivosti in omejitev ter namestitve in elektromagnetne združljivosti (EMC).
Električna varnost/regulativna skladnost: Uporabniki napajalnikov brez ohišja morajo biti seznanjeni z zahtevami glede odmika in plazilnega toka. Odmik je najkrajša zračna razdalja med dvema prevodnima deloma, plazilna razdalja pa pomeni najkrajšo razdaljo po površini trdnega izolacijskega materiala med dvema prevodnima deloma (slika 3). Minimalne zahteve za ta dva dejavnika zajemajo funkcijo napajalne napetosti, pa tudi pogoje delovanja, kot je pričakovana onesnaženost s prevodnim prahom, vlago in drugimi delci v okoliškem zraku ali na površini med visokonapetostnimi vozlišči.
Napajalniki so prav tako razdeljeni na več razredov IEC na podlagi končnega namena uporabe.
Razred I: Zaščita uporabnikov pred električnim udarom je zagotovljena s kombinacijo izolacije in zaščitne ozemljitve.
Razred II:: Zaščita uporabnikov pred električnim udarom se doseže z dvema ravnema izolacije (dvojne ali ojačane).
Sistem razreda I zahteva tri ali štiri milimetre (mm) med vsemi ozemljenimi kovinskimi deli in vsemi glavnimi deli napajalnika, odvisno od tega, ali je končni namen uporabe industrijski ali medicinski. To lahko zahteva dodatne izolatorje okoli sestava napajalnika brez ohišja; napajalniki razreda II lahko zahtevajo večje plazilne razdalje in odmik.
Kadar je uporabljen napajalnik razreda I, je sestavni del električnega sistema varnostni ozemljitveni priključek, ki mora biti trdno povezan z varnostno ozemljitvijo opreme. Prav tako bo verjetno potrebna več kot ena ozemljitvena povezava s sklopom, kar vpliva na električne emisije in občutljivost (podrobneje opisano v nadaljevanju).
Tako napajalniki brez ohišja kot napajalniki v obliki U-kanala imajo vgrajeno varovalko; za uporabo v medicinski opremi sta potrebni dve varovalki.
Varovalke so običajno trajno vgrajene v napajalnik in niso zasnovane za zamenjavo na terenu, saj je edini razlog za aktiviranje (odprtje) varovalke okvara napajalnika, ki ga je treba pred ponovno uporabo sistema popraviti ali zamenjati. Lahko so določene tudi dodatne zahteve za namestitev varovalk v celotnem sistemu, s čimer se zagotovi zaščita pred težavami s povezovalnimi kabli in priključki, kot tudi drugim vezjem, ki ni povezano z napajalnikom.
Toplotno upravljanje in zmanjšanje moči: Toplota je dobro znana težava v vseh elektronskih sistemih, saj je glavni vzrok za utrujanje komponent in okvare, ki jih je povzročil stres, vključno z razpokami zaradi cikliranja toplote. Ne glede na določeno napetost in nazivni tok napajalnika načrtovalce skrbi predvsem skupna moč v vatih, ki jo zagotavlja napajalnik.
Dobavitelji pogosto oblikujejo družino napajalnikov za določeno največjo dovajano nazivno moč, nato pa določijo ujemajoče se pare napetosti in toka. Vse enote v seriji XP Power LCE80 imajo na primer nazivno moč 80 W, pri čemer enota z najnižjo napetostjo, LCE80PS05, dovaja 5 voltov pri do 12 A, enota za najvišjo napetostjo, LCE80PS54, pa dovaja 54 voltov pri do 1,48 A. Vmes je še osem drugih možnosti izhoda DC: 12 voltov, 15 voltov, 20 voltov, 24 voltov, 30 voltov, 36 voltov, 42 voltov in 48 voltov.
Napajalniki delujejo v razponu vhodne izmenične napetosti od 90 do 305 voltov AC, pri čemer je polna obremenitev na voljo tudi že pri najnižjih 90 voltih. Učinkovitost je zelo blizu 90 %, kar pomeni, da napajalnik izgubi samo 8 W; preostalih 72 W je na voljo za potrebe sistema. Vsi člani družine merijo 101,6 × 50,8 × 27,9 mm. Razpon delovne temperature znaša od –40 °C do +70 °C, pri čemer je polna moč na voljo pri od –30 °C (–40°C pri visokonapetostnem vodu) do +50 °C. Izračunani povprečni čas med odpovedmi (MTBF) je 300 kilour na MIL-HDBK-217F.
Vse enote iz serije izpolnjujejo številne veljavne regulativne standarde, vključno z naslednjimi (vendar ne omejeno nanje): EN55032 razreda B za prevajane in sevane emisije; EN55035, EN61547 in EN61000-4-2/3/4/5/6/8/11 za odpornost proti elektromagnetnim motnjam; EN61000-3-2 harmonski tok razreda C za obremenitev 50 W in več. Varnostne odobritve vključujejo CB IEC62368-1 (ITE), IEC60950-1 (ITE), UL62368-1 (ITE), TUV EN62368-1 (ITE), EN61347 (razsvetljava) in UL8750 (razsvetljava).
Učinkovitost vsakega napajalnika je kritičnega pomena, saj določa, kako se ravna z ustvarjeno toploto. Napajalnike brez ohišja je mogoče hladiti s pasivno konvekcijo, aktivnim prisiljenim zrakom (ventilator) ali s kombinacijo obojega. Številni načrtovalci raje izberejo napajalnike, ki so predvideni za delovanje pri njihovih nazivnih vrednostih samo s pasivnim zračnim hlajenjem, brez uporabe ventilatorja, in sicer zaradi dolgega seznama razlogov, ki med drugim zajema naslednje:
- To zagotavlja prihranek pri neposrednih stroških kosovnice in skrajšuje čas sestavljanja izdelka.
- S tem je odstranjen en potencialni vir okvare – ventilator – kar lahko vpliva na pregrevanje in zelo skrajša življenjsko dobo napajalnika.
- Tako se prepreči težave, povezane s hitrostjo ventilatorja in upravljanjem delovanja, kar običajno temelji na zaznavanju temperature okolice.
- Seveda je tišji, kar je v številnih okoliščinah pomemben dejavnik.
- Tako se prepreči možnost, da bi končni uporabnik nehote povzročil težave s pregrevanjem, če bi zaprl vhodno ali izhodno odprtino ventilatorja.
Na kratko, odstranitev potrebe po ventilatorju bistveno poveča zanesljivost celotnega sistema, poenostavlja mehansko zasnovo in zmanjšuje stroške. Za zasnovo brez ventilatorja morajo načrtovalci preveriti podatkovni list napajalnika in preveriti, ali je za doseganje navedenih specifikacij potreben vsiljeni zrak ali bo zadoščala sama pasivna konvekcija.
Ta pregled vključuje preverjanje najvišje temperature, do katere dobavitelj jamči delovanje po vseh specifikacijah, pa tudi krivuljo zmanjševanja toplote, ki določa, koliko se nad mejo temperature zmanjša izhodna moč. Dobro zasnovan napajalnik bo ohranjal nazivno moč do temperature okolice 50 ⁰C, vse do 90 voltov vhodne izmenične napetosti (AC). Nasprotno pa nekateri izdelki promovirajo »deklarirano« nazivno moč, vendar pri nizki izmenični napetosti hitro izgubijo do 20 % moči, razpoložljivo moč pa začnejo izgubljati že pri relativno nizkih temperaturah okolice, kot je 40 ⁰C. Pri seriji LCE80 je polna zmogljivost zagotovljena do 50 ⁰C, nato pa se linearno zmanjšuje na do 50 % do najvišje temperature 70 ⁰C (slika 4).
Položaj namestitve, usmeritev, razpoložljiv okoliški prostor, uporabljena obremenitev in okoliški deli, skupaj z morebitnim zračnim hlajenjem, so pri vsakem načinu uporabe edinstveni. Pomembno je, da se temperaturo modelira in meri na napajalniku brez ohišja in ne nekje drugje v ohišju sistema, saj lahko prihaja do velikih, zelo lokaliziranih nihanj.
Kritičen dejavnik pri določanju ocenjene življenjske dobe napajalnika je krivulja življenjske dobe na podlagi temperature ključnih elektrolitskih kondenzatorjev, ki so edini deli brez obrabnega mehanizma. Izračuni življenjske dobe elektrolitskih kondenzatorjev temeljijo na Arrheniusovi enačbi, kjer se stopnja reakcije podvoji – in s tem življenjska doba prepolovi – za vsakih deset stopinj Celzija povišanja temperature (slika 5). Dober znak življenjske dobe je mogoče določiti z meritvijo temperature ohišja komponente ter uporabo Arrheniusove enačbe za določeno temperaturo in življenjsko dobo zasnove.
Težave z elektromagnetno združljivostjo: Napajalniki brez ohišja za izpolnjevanje standardov običajno zahtevajo povezavo dveh, včasih tudi treh točk namestitve z ozemljitvijo. V sistemu razreda I je ena od teh povezav potrebna za varnostno ozemljitev in je izvedena na vhodni strani sestava. Ta povezava zagotovi tudi povezavo linije z ozemljitvijo in nevtralnega voda z ozemljitvijo filtrirnih kondenzatorjev splošnega načina, ki so znani tudi kot Y-kondenzatorji (slika 6).
Ti kondenzatorji, preko dušilk vezani na maso v napajanju napajalnika dušijo šum, ki je povezan s hitrimi spremembami napetosti. Ti izhodni kondenzatorji, vezani na maso, so kritičnega pomena za elektromagnetno združljivost napajalnika in morajo biti povezani za zagotavljanje optimalne elektromagnetne združljivosti.
Te točke je treba povezati skupaj, da se zagotovi skladnost na področju elektromagnetne združljivosti z napajalniki brez ohišja. Točke, ki zahtevajo povezavo z ozemljitvijo ali medsebojno povezavo, so običajno določene na podatkovnem listu napajalnika, najboljši način povezave teh točk pa je namestitev napajalnika na ozemljeno kovinsko ploščo (slika 7).
Te ploščice ni treba povezati z ničemer drugim, saj je njena funkcija zagotavljanje poti z nizko impedanco in nizkimi parazitskimi elementi za povezavo filtrirnega kondenzatorja z ozemljitvijo. Namestitvene luknje, označene s simbolom ozemljitve, je treba pri načinu uporabe razreda I povezati z varnostno ozemljitvijo, pri načinu uporabe razreda II pa med seboj.
V skladu s splošnimi smernicami morajo biti vsi vhodni in izhodni kabli napajalnika ločeni, izogibati pa se je treba tudi tesni bližini z odprtim sklopom. To zmanjšuje potencialne težave, pri katerih bi elektromagnetno sevanje, ki nastaja znotraj napajalnika, povzročalo prevajane in sevane emisije v končno opremo.
Zaključek
Načrtovalci lahko skrajšajo in izboljšajo svoj proces načrtovanja tako, da se osredotočijo na eno družino napajalnikov brez ohišja, z različnimi nazivnimi napetostmi/tokovi, pri čemer ohranijo vse druge dejavnike nespremenjene. Tako poenostavijo namestitev, ozemljitev, analizo elektromagnetne združljivosti in toplote, pomisleke glede zmanjševanja moči, izračune ovojnice zmogljivosti, fizične priključke ter polaganje kablov.
