作者： Steven Keeping

作為一名初出茅廬的制造工程專業(yè)畢業(yè)生，我首份工作的一部分職責(zé)是協(xié)助一位高級(jí)工程師為高端工業(yè)比例積分微分 (PID) 控制器設(shè)計(jì) AC/DC 開關(guān)電源。我所謂的“協(xié)助”，不過(guò)時(shí)端茶送水、在面包板上找元件。但是，他象是一位既耐心又博學(xué)的導(dǎo)師，短短幾周的時(shí)間我就掌握了電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全部流程，這比我在大學(xué)的整個(gè)學(xué)期學(xué)到的還要多。

后來(lái)，我竟獨(dú)立完成了一兩套實(shí)用的開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案，不過(guò)我的方案借鑒了這位高級(jí)工程師的架構(gòu)，當(dāng)然經(jīng)過(guò)了他同意的。

幾年后，我所在的公司發(fā)現(xiàn)購(gòu)買現(xiàn)成的第三方模塊化 AC/DC 電源比自己研發(fā)制造更劃算。這種做法雖使設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新樂(lè)趣有所減損，但我們的經(jīng)驗(yàn)在選擇符合產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的最優(yōu)商用方案過(guò)程中仍不可或缺。

電源與應(yīng)用之間的匹配

通過(guò)了解諸如效率、輸入浪涌電流、紋波和噪聲以及啟動(dòng)過(guò)沖電壓等工程參數(shù)，我們能夠測(cè)試、驗(yàn)證商業(yè)解決方案，以確保這些方案符合工業(yè) PID 控制器的功率需求，并提供良好的調(diào)節(jié)性能，更長(zhǎng)的平均故障間隔時(shí)間 (MTBF)。

然而，將商業(yè)解決方案與應(yīng)用的產(chǎn)品規(guī)格相匹配說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難，因?yàn)楫?dāng)時(shí)每個(gè)供應(yīng)商提供的解決方案往往僅限于幾個(gè)型號(hào)。除此之外，鑒于我們的預(yù)算限制，可選的型號(hào)就變得更少了。這通常意味著指定一個(gè)能夠合理工作的電源，通常代表著做出某種妥協(xié)。

例如，有時(shí)我們最終會(huì)使用商用電源，雖然它可以充分滿足控制器電流和電壓的要求，但通常會(huì)在其最有效的輸出范圍之外運(yùn)行，且低負(fù)載時(shí)尤其如此。結(jié)果，造成了我們本可以避免的額外功耗和熱管理挑戰(zhàn)。

擴(kuò)大范圍

模塊化電源領(lǐng)域經(jīng)過(guò)了數(shù)十年突飛猛進(jìn)的變化，較之筆者當(dāng)年的草創(chuàng)設(shè)計(jì)，已然實(shí)現(xiàn)了飛躍?，F(xiàn)在，商業(yè)現(xiàn)貨解決方案的選擇范圍令人驚嘆，而且完全不受預(yù)算緊張的限制。

以 TRACO Power 的工業(yè) AC/DC 電源系列為例。該公司在其已經(jīng)很廣泛的 TXN 系列中增加了四個(gè)新的功率級(jí)。這些電源現(xiàn)在具有 35 W、200 W、350 W 或 800 W 輸出功率版本，并且可為每個(gè)功率級(jí)指定 12 V、15 V 、24 V 或 48 V 輸出電壓。對(duì)于 35 W 版本，還提供了 3.3 V 和 5 V 選擇。該系列產(chǎn)品還包括以下型號(hào)：TXN 35-124（35 W、24 W AC/DC 電源）、TXN 200-124（200 W、24 V）、TXN 350-115（350 W、15 V）（圖 1），以及 TXN 800-148 （800 W、48 V）。

圖 1：TXN 350-115 350 W 電源在 90 V 至 260 V AC 輸入下提供 15 V DC 輸出電壓。（圖片來(lái)源：TRACO Power）

該系列電源采用框架式金屬外殼，配備螺紋端子塊式連接器，是該公司最具性價(jià)比的封閉式 AC/DC 電源產(chǎn)品。其特性包括：3000 VAC 增強(qiáng)型 I/O 隔離、內(nèi)置 EN55032 B 類濾波器（用于減少傳導(dǎo)和輻射發(fā)射）、100 W 以上有源功率因數(shù)校正 (PFC)、IEC/EN/UL 62368-1 安全認(rèn)證，以及符合 EN 61000-3-2 電磁兼容性 (EMC) 標(biāo)準(zhǔn)。這些電源甚至配備了內(nèi)部風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。

價(jià)格實(shí)惠，性能卓越

然而，TRACO Power TXN 系列電源不僅實(shí)現(xiàn)了高性價(jià)比，還保持了應(yīng)有的性能。例如，TXN 350-115 的輸入電壓范圍為 90 V 至 260 VAC，工作溫度范圍為 -30?C 至 70?C。這款電源提供可調(diào)節(jié)標(biāo)稱輸出電壓 (V out(nom) )，范圍為 13.5 V 至 15.5 V，最大輸出電流 (I out(max) ) 為 22 A，最大輸出功率為 330 W。

在 230 V 輸入下，有源 PFC 為 0.95。電壓設(shè)定精度為 ±1%，在 10% 至 90% 的負(fù)載變化范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)率變化 1%，輸出電壓紋波最大為 150 mV 峰峰值 (mV pp )（圖 2）。這款電源具有 110% 至 160% Iout(max) 輸出限流值和 110% 至 140% Vout(nom) 過(guò)壓保護(hù)。MTBF 為 230,600 小時(shí)。

圖 2：TXN 350-115 的最大輸出電壓紋波為 150 mVp-p，這有助于緩解 EMC 問(wèn)題。（圖片來(lái)源：TRACO Power）

TRACO 電源具有平坦的效率曲線，這有助于化解筆者早年使用較小電源時(shí)遭遇到的溫度和功率耗散問(wèn)題。即使在 20% 左右相對(duì)較低的負(fù)載下，TXN 350-115 也能實(shí)現(xiàn) 75% 以上的效率（圖 3）。

圖 3：TXN 350-115 在負(fù)載超過(guò) 20% 時(shí)效率可超過(guò) 75%。這有助于化解功耗難題。（圖片來(lái)源：TRACO Power）

結(jié)語(yǔ)

雖然我喜歡從頭開始設(shè)計(jì)板外 AC/DC 工業(yè)電源，但現(xiàn)成的解決方案可為我節(jié)省項(xiàng)目時(shí)間，讓工程團(tuán)隊(duì)專注于最終產(chǎn)品的其他方面。此外，當(dāng)今電源產(chǎn)品的選擇范圍如此廣泛，以至于可以找到一種幾乎能夠?yàn)槿魏螒?yīng)用提供最佳性能和效率的解決方案。