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正确电源供应的选择标准 ——根据理据做出明智选择

时间:2018-12-26 作者:Axel Stangl ,儒卓力功率半导体产品销售经理 阅读:
在每个项目中,到了某个阶段,开发人员便必须寻找最适合应用的电源供应。由于开发周期不断缩短,规范变得更严格且预算也越来越紧张,这都使得开发人员更难以作出选择。本文概述了选择电源时需要考虑的细节。

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电源是每个电气系统的心脏,然而,若非到了最后一刻,它往往会被忽视。选择合适的电源似乎是一项简单的任务:选择具有适当输出电压和功率,且价格最优惠的电源设备。但是,为了最终得到满意的解决方案,你需要仔细查看更多细节。ncoEETC-电子工程专辑

通过宽输入范围应对变化的标称电压

通常,电源由公共电源或工业供电网供电。在极少数情况下,也使用发电机。来自公共干线的标称电压通常是标准化的。虽然欧洲的标称干线电源电压为230 V AC/50 Hz ±10%,但欧洲以外还有许多其它标准。在美国,120 V AC/50 Hz是常见的,而在中国,墙壁插座电源为220 V AC/50 Hz。理想情况下,所选电源应覆盖所有这些标称电压及其边界范围。这要求电源工作电压范围为85 V AC至264 V AC。但是,仔细查看数据表便会发现值得留意之处。即使选定的电源在230 V AC标称电压下能够提供超过90%的极好效率,但在120 VAC电压下的效率可能仅为70%。ncoEETC-电子工程专辑

效率对使用寿命的影响

在比较各种效率数据时,一个或两个百分点看起来不是显着的差异,这个数字也不会帮助实现任何重大节能。然而,这几个百分点可以产生巨大的差异。例如,如果比较一台效率为90%的设备和一台效率为92%的设备,乍一看似乎没有大的偏差。但是,如果考虑由此产生的损耗,一个电源只有8%,另一个则为10%。因此,具有92%效率的装置作为热量而损耗的能量较另一个电源少了五分之一。有时,这个小小的差异便足以省去强制冷却,从而帮助节省宝贵的空间。ncoEETC-电子工程专辑

然而,更重要的事实是,较少的热量产生对系统的使用寿命会产生积极影响,因为这直接影响系统的预期寿命。瑞典化学家Svante Arrhenius早在1889年便发现了化学反应速率与温度之间的关系,Arrhenius方程提供了一个经验法则,即温度每升高10°C,失效概率便会增加一倍。换句话说:预期寿命减半,这意味着效率提高两个百分点,便有助于显着延长开关模式电源单元的预期寿命。ncoEETC-电子工程专辑

平均故障间隔时间(MTBF) - 计算可靠性

开关模式电源单元的可靠性与平均故障间隔时间 (MTBF)密切相关。通过所谓的“浴盆曲线”(图1)可以很好地说明MTBF的重要性。这可分为三个部分:早期故障、使用寿命故障和寿命终止耗尽故障。MTBF仅涵盖中间部分,即它不包括“早期死亡率”或耗尽的影响。这很容易解释为什么电源的MTBF通常声称在几百万小时。MTBF也可以根据各种标准来确定。最常见的是MIL HDBK 217F,Bellcore TR-NWT-000332和被称为“西门子标准”的SN29500。在某些情况下,这些计算方法的结果差异很大。因此,比较MTBF值时,重要的是确保它们是根据相同的标准并在相同的条件(例如环境温度)下确定的。ncoEETC-电子工程专辑

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图1:寿命期间的故障率(浴盆曲线)ncoEETC-电子工程专辑

然而,这些方法的一个共同点是,整个开关模式电源单元的MTBF是由各组件的数值的总和计算出来,这就是“组件数量”对MTBF值具有决定性影响的原因。简单的开关模式电源单元通常具有明显更高的MTBF值。然而,这并不一定意味着它的可靠性更高。ncoEETC-电子工程专辑
总之,MTBF是对类似设备可靠性的良好比较参数,但是,无法让用户对预期寿命做出任何陈述。这只能通过广泛的测试来实现。ncoEETC-电子工程专辑

经过测试的可靠性

在96小时测试后可以做出第一个陈述, 这种高度加速的应力测试(HAST)在确定的环境条件(例如+85°C/95%相对湿度)下在气候室中进行,作为所谓的储存测试(即测试样品不在运作中)。在测试之前和之后,根据测试样品的数据表参数来测量它。ncoEETC-电子工程专辑

基于这些差异,可以得出关于使用寿命的结论。在上述条件下的96小时测量,对应长达7 ¼年的24/7运作。此外,通常还会进行一次1000小时测试,任选作为储存测试(例如+85°C/50%相对湿度)或寿命测试(即测试样品在运行中测试,在最大允许环境温度下)以验证结果。ncoEETC-电子工程专辑

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图2:寿命测试的典型测试设置(例如96小时测试或降额测试)ncoEETC-电子工程专辑

即使在低负载范围内也能保持稳定效率

另一个重点是在各种负载条件下的器件行为。通常,数据表中只指定满负载下的数值(如果有的话)。然而,这并不是很有意义,因为开关模式电源单元经过设计,在接近标称输出时达到最佳效率。例如,当负载减小时,它们的效率也会降低,直到在空闲时趋于零。另一方面,精心设计的电源可提供恒定的高效率,尤其是在重要的中低负载范围内。ncoEETC-电子工程专辑

可靠的DIN导轨电源

凭借其生产了数百万个DC/DC和AC/DC转换器的经验,RECOM开发了一系列DIN导轨电源,经设计最大限度地延长使用寿命。为了创建适当的安全缓冲区,仅使用最高质量的组件,并且这些组件的工作温度远高于电源规定的数值。ncoEETC-电子工程专辑

REDIN系列DIN导轨电源具有特别纤细的设计特点,还配备了侧面安装系统。这对于安装深度较低的开关柜尤其有利。它们具有85 V AC至264 V AC的宽输入电压范围,确保适合全球范围使用。由于93%的高效率,仅产生少量废热,这意味着电源可以在-25°C至+ 70°C的工作温度下使用而无需强制冷却。模块配备有源PFC,功率因数超过0.95。它们适用于n + 1并联运行,可提供冗余或永久性地增加输出电流。这个模块还配备智能过载和短路保护,一旦达到最大允许温度,即可关闭设备以避免永久性损坏。这些电源均已通过了IEC/ EN/UL60950和UL508认证。ncoEETC-电子工程专辑

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图3:Recom的REDIN480电源效率不仅在满载时达到93%,而且在宽负载范围内也可以保持稳定和高值。ncoEETC-电子工程专辑

此外,REDIN/3AC系列现在可在2相或3相电源环境中运行,它经设计在过程自动化的严苛环境中也具有极高的稳定性,即使第三相发生故障,也能在320至575 V AC电源电压下可靠运行。ncoEETC-电子工程专辑

该电源系列在标称24 V DC下提供120 W、240 W、480 W或960 W功率,纹波电流仅为40 mV,或由精密电位器调节为22.5至29.5 V DC。为了提高输出水平,可以并联连接设备,无需采用进一步的预防措施,具有电流限制的下垂模式(droop-mode)控制确保了平衡负载。ncoEETC-电子工程专辑

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图4:Recom的电源具有高电气强度和高可靠性,适用于在严苛环境中运行的工业机柜。ncoEETC-电子工程专辑

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