【導(dǎo)讀】多年來，AC-DC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)變得更加高效，尺寸縮小，與電子設(shè)備小型化的總體趨勢相吻合。板載AC-DC遵循著相同的道路，但是隨著尺寸的減小和功率密度的增加，安全性和散熱等性能成了問題。
反激設(shè)計(jì)通常用于低功率
降低板載AC-DC的成本自然會(huì)導(dǎo)向器件數(shù)量最少的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。低于10W時(shí)一定會(huì)是一個(gè)「反激式」轉(zhuǎn)換器，具備集成功率晶體管和變壓器（更精準(zhǔn)地說是耦合電感），每路輸出帶有一個(gè)二極管和電容?？刂艻C直接（初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)）或間接（通過光耦合器進(jìn)行次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)）對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，以脈沖寬度或調(diào)頻，或兩者皆有的反饋施加到功率級(jí)。通常還有一些額外的濾波器組件將EMI降低到法定水平，而大電容可以為電源中斷的維持時(shí)間提供能量，如圖1所示。高壓交流電和輸出之間會(huì)形成隔離，隔離是由固體絕緣材料或通過空氣間隙來達(dá)成?？缃釉诟綦x兩端的器件如變壓器或光耦，將構(gòu)成能提供足夠的隔離以滿足國際安全機(jī)構(gòu)的要求
圖1：典型低功率AC-DC轉(zhuǎn)換器之反激電路
簡單反激拓?fù)涞娜秉c(diǎn)就是內(nèi)部電壓可能很高，開關(guān)上的電壓通常為600V或更高，某些器件則承受高紋波電流。例如，輸出電容必須承受峰值紋波電流，該電流可能是直流輸出電流的1.5至2倍之高。高紋波電流會(huì)在電容的ESR中耗散功率并升高溫度。根據(jù)工作模式的不同，初級(jí)開關(guān)電流的峰值和均方根也可能大到令人驚訝。由于高壓開關(guān)具有相對(duì)較高的導(dǎo)通電阻，因此會(huì)降低效率，功率會(huì)在開關(guān)和AC電容中產(chǎn)生損耗。
書籍和IC應(yīng)用筆記有大量的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，即使是新手也能夠?yàn)楹唵蔚姆醇な睫D(zhuǎn)換器選擇器件值，加上只要足夠了解高頻的PCB布局規(guī)則和變壓器的構(gòu)造就不難做出可用的產(chǎn)品。如果尺寸并非主要要求，安全間隙的要求就容易滿足，有足夠的空間讓空氣自由流動(dòng)散熱。器件可以選擇較大的額定值以確保功能性和EMI性能。幾乎每個(gè)手機(jī)充電器都可以看到某種反激式拓?fù)?，因此縮小電子設(shè)備的體積絕對(duì)可行，但是這些產(chǎn)品是需要在有限的溫度范圍內(nèi)工作，例如0 – 40°C的家庭或辦公室環(huán)境。
另一方面，當(dāng)空間和成本受到限制，或者AC-DC必須在其他設(shè)備內(nèi)部運(yùn)行時(shí)就會(huì)變得極具挑戰(zhàn)。如果是工業(yè)級(jí)應(yīng)用，可能會(huì)有額外的間隙要求來應(yīng)對(duì)潮濕或骯臟的環(huán)境，以及要在-40°C到+75°C甚至更高的溫度變化中承受更高的瞬態(tài)過電壓。與商用產(chǎn)品相比，輸入電壓范圍可能更寬，同時(shí)也期待更高的可靠性和更長的使用壽命。此外，可能還需要考慮高海拔帶來安全性能間隙的影響。
實(shí)際設(shè)計(jì)限制
縮小尺寸的實(shí)際限制是最小的安全間距，例如IT和媒體設(shè)備的EN 62368-1以及家用電器的EN 60335-1標(biāo)準(zhǔn)要求輸入和輸出之間的最小間距為9mm，而250VAC系統(tǒng)中的最小間距為4mm。這是針對(duì)最惡劣的污染程度和材料類別的標(biāo)準(zhǔn)，可以透過封裝設(shè)備、帶涂層的PCB以及具有相對(duì)漏電起痕指數(shù)（CTI）的材料來加以放寬，但它說明了「安全的」默認(rèn)爬電距離對(duì)爬電距離是25mm的轉(zhuǎn)換器來說沒有實(shí)質(zhì)意義。因此必須仔細(xì)設(shè)計(jì)以充分利用妥協(xié)規(guī)格，并通過在PCB上開槽或在關(guān)鍵組件上添加分隔器或絕緣帽套來確保規(guī)范的最小距離要求。
爬電距離和電氣間隙的要求在變壓器中也面臨一些問題。大功率的大型變壓器可以在絕緣擋墻內(nèi)纏繞標(biāo)準(zhǔn)漆包線，以保證從初級(jí)到次級(jí)繞組的爬電距離達(dá)到6mm。低功率的變壓器，線軸的繞線寬度可能只有幾毫米，這顯然是不行的。解決方案是使用符合安全等級(jí)的三重絕緣線（TIW），該電線具有重疊的螺旋纏繞層，保證任何地方都至少有三層絕緣。然而形成EMI屏蔽仍是一個(gè)問題，有些設(shè)計(jì)使用TIW半圈絕緣層，其一端未端接但會(huì)經(jīng)過謹(jǐn)慎的絕緣處理。
難以小型化的器件包括輸入中的大容量存能電容器。它有提供平滑直流總線電壓的功能，并在電源中斷期間提供「維持」所需的能量。常見的專業(yè)要求是從115V或230VAC的標(biāo)稱輸入電壓保持20ms的運(yùn)行時(shí)間（一個(gè)主電源周期為50Hz）。例如，電容器在115VAC整流下所看到的電壓平均約為150V，電源頻率紋波約為20V。電源中斷時(shí)電容會(huì)放電，同時(shí)轉(zhuǎn)換器必須在輸入斷電的情況下持續(xù)運(yùn)行20ms。實(shí)際上，轉(zhuǎn)換器可以在低至70V的電壓下工作，因此如果使用效率為75%的5W輸出轉(zhuǎn)換器，您可以計(jì)算出需要20ms的能量的電容能量損耗：
需要一個(gè)18pF的電容，該電容要在400V的額定電壓下獲得最高的AC輸入。鋁電解電容是最小的類型，即使高溫版本也只有約3cm3。適用于許多反激電路要有20ms的維持時(shí)間，經(jīng)驗(yàn)法則是，對(duì)寬輸入范圍的最低要求為2μF/W，對(duì)230V標(biāo)稱電壓則為1μF/W。任何小于此的電容值都會(huì)使問題變得更糟因?yàn)榧y波電壓反而會(huì)更大，從而減小了電壓裕度并導(dǎo)致輸出電壓驟降的電源故障。
板載AC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的傳導(dǎo)EMI電平接近大功率產(chǎn)品，因?yàn)楣材Ｔ肼暡粫?huì)隨著功率變化，而是由于內(nèi)部dV/dt高電平通過雜散電容耦合而產(chǎn)生的，每個(gè)設(shè)計(jì)都會(huì)發(fā)生。因此簡單的低功率設(shè)計(jì)可能需要比轉(zhuǎn)換器本身更大的EMI濾波器才能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)?？刂艻C設(shè)計(jì)人員使用諧振或半諧振拓?fù)浜图夹g(shù)（如頻率抖動(dòng)）控制dV/dt來解決該問題，這個(gè)技術(shù)可以降低標(biāo)準(zhǔn)測量接收機(jī)帶寬中的平均EMI。板載AC-DC轉(zhuǎn)換器通常是一個(gè)沒有初級(jí)接地的Class II設(shè)備，但它們的輸出通常會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中接地來為共模傳導(dǎo)噪聲提供路徑。初級(jí)到次級(jí)的Y電容有助于減少高頻干擾，但不能加到太大因?yàn)槿绻敵鑫唇拥?，危險(xiǎn)的交流電流可能使用戶觸電。某些家用標(biāo)準(zhǔn)（例如EN 60335）要求非常低的電容值并且要串聯(lián)兩個(gè)Y電容以預(yù)防其中一個(gè)故障。在微型封裝內(nèi)安裝兩個(gè)串聯(lián)電容，同時(shí)每個(gè)電容在引腳之間都保留足夠的安全爬電距離是非常困難的，通常都讓使用者自行添加以符合EMC標(biāo)準(zhǔn)。
圖2：Class II應(yīng)用可能需要兩個(gè) Y電容以達(dá)到EMI和安全標(biāo)準(zhǔn)
越來越多低功率AC-DC轉(zhuǎn)換器是由277VAC的標(biāo)稱電壓、305VAC的峰值供電。這是三相115VAC系統(tǒng)中的線與中性點(diǎn)之間電壓，常在美國和亞洲的大型建筑物中使用。與230VAC系統(tǒng)和更強(qiáng)的器件相比，更高的電壓需要更大的間距和更高的額定電壓器件。例如，大容量電容的最小額定值為450VDC。對(duì)小型轉(zhuǎn)換器來說這增加了空間問題。相同的零件要在480VAC（峰值525VAC）低至85VAC（100VAC系統(tǒng)的最小容限）的條件下工作，這讓要求更加嚴(yán)苛。高電壓和極端的輸入范圍增加了器件應(yīng)力和安全間距的難度，特別是當(dāng)規(guī)格要求小尺寸、低成本又高效的時(shí)候！
運(yùn)行海拔高度有時(shí)會(huì)被忽略；功率轉(zhuǎn)換器的電氣間隙標(biāo)準(zhǔn)通常設(shè)定在2000m。更高海拔的間隙會(huì)大幅增加。例如，根據(jù)EN 62368-1標(biāo)準(zhǔn)（圖3），在5000m的高度間隙要乘以1.48倍（這看似極端，但是全球有八個(gè)首都的海拔超過2000m）。此外，高海拔地區(qū)有許多肺科診所，因此高于2000m的情況很常見，而這增加了小空間設(shè)計(jì)的難度。
圖3：以海平面為基準(zhǔn)的電氣間隙和測試電壓修正系數(shù)（來源EN 62368-1）
用于PCB安裝的AC-DC應(yīng)該要跟其他電路板器件相同的環(huán)境下運(yùn)行，通常無需任何特殊的散熱裝置。我們已經(jīng)得知高紋波帶來了高損耗，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是控制內(nèi)部溫度，在環(huán)境溫度內(nèi)盡可能提高功率。隨著外殼越來越小，有效的散熱面積也越來越少，讓問題更加復(fù)雜。
模塊化解決方案
RECOM接受了設(shè)計(jì)低成本、工業(yè)規(guī)格的板載AC-DC轉(zhuǎn)換器的挑戰(zhàn)。轉(zhuǎn)換器的系列規(guī)格為1W至30W，工作電壓至少為85VAC至264VAC。有些還包括305VAC。5W的產(chǎn)品，RA05-K/480的最高工作電壓為525VAC。轉(zhuǎn)換器可提供高達(dá)5000m的額定海拔高度，最低的工作溫度為-40°C，最高+90°C（降額）。行業(yè)領(lǐng)先的新3W轉(zhuǎn)換器的尺寸為22.5mm x 27.94mm x 18mm，20W版本也僅25.4mm x 50.8mm x 23mm。特別的是，該系列包括圓形封裝的3W、18W和30W?？捎糜跇?biāo)準(zhǔn)、嵌入式、壁掛式安裝，其中超薄型3W部件僅11mm高。該系列中的所有部件均獲得EN 60950或EN 62368 ITE安全認(rèn)證，大多數(shù)有EN 60335家用電器認(rèn)證，而18W和30W圓形轉(zhuǎn)換器具有醫(yī)療認(rèn)證以及有線連接。圖4總結(jié)了系列規(guī)格。
圖4：RECOM板載AC-DC轉(zhuǎn)換器規(guī)格
參考文獻(xiàn) [1] RECOM: www.recom-power.com
來源：RECOM
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