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(jì)人員面臨著日益嚴(yán)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?yàn)榧词故歉咝щ娫匆矔?huì)發(fā)熱。然后，設(shè)計(jì)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(jì)導(dǎo)入，能夠保護(hù)轉(zhuǎn)換器、用戶和負(fù)載不受不利因素的影響。

本文將簡要探討針對(duì)惡劣環(huán)境的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所面臨的挑戰(zhàn)。然后介紹 [Advanced Energy] 的 504 W 接觸傳導(dǎo)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(shí)，設(shè)計(jì)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(duì)較高，通常可達(dá) 80% 至 90% 或更高，但仍會(huì)發(fā)熱，因此必須進(jìn)行散熱以確保電源不會(huì)過熱，避免影響性能和可靠性。

根據(jù)熱物理學(xué)，有三種散熱方式（圖 1）：

1. 傳導(dǎo)：通過固體表面與固體表面的直接接觸進(jìn)行散熱
2. 對(duì)流：通過移動(dòng)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(dǎo)、對(duì)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(duì)較少的熱量，因此，通常情況下不適用于電子系統(tǒng)。然而，對(duì)于只能將熱量擴(kuò)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(jì)者更傾向于使用非強(qiáng)制（自然）或強(qiáng)制風(fēng)冷（風(fēng)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(fēng)口進(jìn)入。這些冷卻方法的成本相對(duì)較低，也易于評(píng)估。

然而，對(duì)流冷卻方法在許多實(shí)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(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器的物理布局或包裝都不適合傳導(dǎo)冷卻。

如果只能通過從轉(zhuǎn)換器外殼到鄰近表面的熱傳導(dǎo)來進(jìn)行冷卻，則需要采用不同的設(shè)計(jì)。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(jì)（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(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)程射頻頭射頻電源的要求而設(shè)計(jì)，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(shí)間 (MTBF) 超過一百萬小時(shí)。

這種模塊采用基板接觸冷卻設(shè)計(jì)（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(jìn)行傳導(dǎo)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(diǎn)，其中包括，在輸入電壓穩(wěn)態(tài)變化、電壓瞬變、負(fù)載需求波動(dòng)以及環(huán)境溫度變化的情況下，仍能為負(fù)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(xiàng)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(dòng)到全輸出的時(shí)間為 3.5 秒 (s)，這是許多應(yīng)用的重要參數(shù)；同時(shí)，線路調(diào)節(jié)為 ±0.2%，負(fù)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(hù) (OVP) 和過流保護(hù) (OCP) 等保護(hù)功能。內(nèi)部浪涌限流最大限度地減少了為防止啟動(dòng)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(rèn)證，符合相關(guān) EN、UL、加拿大 UL、IEC 和 EN 62368-1 安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，并帶有 CE 和 UKCA 安全標(biāo)志。這些轉(zhuǎn)換器之所以能獲得這些認(rèn)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(shí)踐，這類器件必須將熱負(fù)荷降至最低，以實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。在半額定輸出功率或更高功率下工作時(shí)，這些轉(zhuǎn)換器的效率可達(dá) 90% 以上。例如，在 230 VAC 線路輸入下運(yùn)行的 12 V 器件，輸出功率為 300 W 或更高時(shí)，其效率高于 93%（圖 4）。輸出功率超過 300 W 時(shí)，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(fù)荷一半的條件下工作時(shí)，其功率轉(zhuǎn)換效率會(huì)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(jí)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(yuǎn)程檢測線外，當(dāng)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(gè)直接的單線“設(shè)備良好”輸出和一個(gè)用于遠(yuǎn)程啟用的 TTL 電平輸入。未啟用時(shí)，其待機(jī)功耗為 5 W。這些報(bào)告和控制信號(hào)只是連接的起點(diǎn)，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器還包括一個(gè) 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(fù)載。

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

當(dāng)單個(gè) AIF500 模塊的輸出電流無法滿足應(yīng)用需求時(shí)，該系列模塊支持主動(dòng)均流技術(shù)，通過簡單的模塊間直連即可將單模塊配置擴(kuò)展至最多 10 個(gè)并聯(lián)模塊（圖 5）。這種并聯(lián)輸出布局只需為第二個(gè)模塊（以及每個(gè)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(gè) AIF500 模塊僅需增加幾個(gè)外部元件即可運(yùn)行（上圖）；如果需要更大的輸出電流，最多可并聯(lián) 10 個(gè)（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(jì)人員簡化一個(gè)或多個(gè)模塊的控制和監(jiān)控工作。通過 GUI，設(shè)計(jì)人員能夠深入了解電壓、電流以及關(guān)鍵運(yùn)行指標(biāo)和物理點(diǎn)的狀態(tài)。

結(jié)語

堅(jiān)固耐用型 AC/DC 轉(zhuǎn)換器首先要設(shè)計(jì)可靠，但實(shí)現(xiàn)充分冷卻始終是難點(diǎn)，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(dá) +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(jí)轉(zhuǎn)換器，并非僅作為基礎(chǔ)穩(wěn)壓電源。

審核編輯 黃宇