低功耗設(shè)備電源對EMC級別的電源設(shè)計方案

低功耗設(shè)備電源對EMC級別的電源設(shè)計方案AC/DC電源設(shè)計人員面臨著持續(xù)的競爭壓力，在提高能效并滿足一系列全球電磁兼容性(EMC)要求的同時，還需要降低成本、減少設(shè)計時間和外形尺寸。轉(zhuǎn)換器還必須能夠在各種AC（有時是DC）輸入電壓下保持能效和性能，提供寬運行溫度范圍，并通過輸出短路和過流保護確保設(shè)備和用戶安全。設(shè)計靈活的多應(yīng)用電源是一項耗時而艱巨的任務(wù)，這需要一套特定的技能。即使內(nèi)部具備這些技能，仍然會大幅增加上市時間。雖然有符合特定性能規(guī)格的現(xiàn)成即用模塊，但如果設(shè)計要求發(fā)生變化，設(shè)計人員必須選擇另一種模塊。為了解決這個問題，設(shè)計人員可以使用板安裝AC/DC轉(zhuǎn)換器來滿足核心監(jiān)管、占用面積和性能規(guī)范，同時提供高度的定制能力以滿足不斷變化的要求。本文討論了有關(guān)低功耗設(shè)備電源設(shè)計的問題。然后介紹了Mornsun的小尺寸AC/DC轉(zhuǎn)換器，并展示了如何輕松定制這些轉(zhuǎn)換器以滿足各種應(yīng)用的要求。本文展示了設(shè)計人員如何通過優(yōu)化多應(yīng)用AC/DC轉(zhuǎn)換器最大程度降低成本，提高能效并減小解決方案尺寸，同時確保用戶和設(shè)備安全，并實現(xiàn)特定的EMC級別。低功耗設(shè)備電源的設(shè)計要求在電磁干擾(EMI)和電磁抗擾性(EMS)方面，EMC要求的范圍涵蓋從一些消費類應(yīng)用的最小濾波到需要滿足CISPR32/EN55032B類級別EMI（輻射）和IEC/EN61000EMS（抗擾度）級別4（表1）的工業(yè)系統(tǒng)和室外場所。此外，這些AC/DC轉(zhuǎn)換器必須符合6級能效標準，可在寬溫度范圍內(nèi)運行，具有輸出短路和過流保護，并且外形緊湊且成本低。表1：通過添加外圍元器件，可定制Mornsun的AC/DC轉(zhuǎn)換器，以滿足各種應(yīng)用的輻射和抗擾度要求。（表格來源：Mornsun）由于可能有必要為每種應(yīng)用及其特定要求設(shè)計或選擇一個電源，隨之而來的是設(shè)計時間、成本和庫存管理方面的代價。因此，更具成本和資源效益的方法是使用標準電源模塊，該模塊在各種應(yīng)用的性能范圍內(nèi)，并且容易進行優(yōu)化以滿足每種目標應(yīng)用的具體需求。多應(yīng)用定制要采用這種方法，設(shè)計人員可以選擇使用Mornsun的LS-R3系列板安裝AC/DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器滿足一系列的EMI和EMS要求。基本的核心板可提供3至10W的功率輸出，尺寸為28x14.73x11毫米(mm)，比同等功率的轉(zhuǎn)換器小43%（圖1）。圖1：LS-R3系列AC/DC轉(zhuǎn)換器是高度可靠的反激式功率級，可進行定制以符合一系列EMI/EMS級別。（圖片來源：Mornsun)該轉(zhuǎn)換器可輕松定制，以滿足各種EMI/EMS規(guī)范，可達到CISPR32/EN55032B級的EMI，IEC/EN61000-4-4±4千伏(kV)電氣快速瞬變(EFT)，以及4級EMS的±2kV浪涌。通過優(yōu)化EMI/EMS級別，設(shè)計人員可以實現(xiàn)多應(yīng)用AC/DC轉(zhuǎn)換器，最大程度降低成本和減小解決方案尺寸。LS-R3系列通過了IEC/EN/UL62368安全認證，符合6級能效標準，具有輸出短路和過流保護，以及-40°C至+85°C的寬工作溫度范圍。多應(yīng)用定制始于基本的融合和濾波需求。雖然LS-R3系列的輸入范圍為85至305VAC（或70至430VDC），但個別應(yīng)用的工作電壓為特定的電網(wǎng)電壓，如110、230或277VAC，這些電壓需要相應(yīng)額定值的保險絲（表2）。例如，LS05-13B12R3型的輸出為12VDC，電流為420毫安(mA)，當(dāng)用于工作于277VAC輸入的設(shè)備時，可使用Littelfuse的36911000000保險絲。表2：LS-R3系列的輸入范圍為85至305VAC。保險絲的選擇基于使用電源轉(zhuǎn)換器時的實際電網(wǎng)電壓。（表格來源：Mornsun）如前所述，LS-R3系列的范圍涵蓋3W轉(zhuǎn)換器，如輸出為3.3VDC的LS03-13B03R3，直到輸出為24VDC的10WLS10-13B24R3。所有三個系列（3、5和10W）都提供輸出電壓為3.3至24VDC的型號。下面討論的設(shè)計實例基于LS05-13BxxR3系列5W轉(zhuǎn)換器。基本設(shè)計從保險絲開始，然后增加一個繞線電阻器，如Vishay公司的12歐姆(Ω)、3W的AC03000001209JAC00，以減少浪涌電流并提供有限的浪涌保護；一個輸入電容，如Rubycon公司的22微法(μF)、450V的450BXW22MEFR12.5X20；以及一個基本的輸出濾波電容，如NichiconRS81C271MDN1，額定為270微法(μF)和16V（圖2）。這種基本的實現(xiàn)方式符合EMS3級，但不能滿足更苛刻的EMI或EMS規(guī)范，只適用于對成本最敏感的設(shè)計和非?；镜男阅苄枨?。根據(jù)熔斷情況，它可以在85至305VAC輸入下工作，并產(chǎn)生一個隔離直流輸出。由于只有最低限度的輸出濾波，它不符合大多數(shù)EMI或EMS規(guī)范，而且輸出紋波相對較高。圖2：這個成本敏感型設(shè)計的基本設(shè)計效果圖符合EMS3級標準，包括四個外部元器件（保險絲，即左邊的黑色元器件；輸入電容，即中間的黑色圓柱體；輸入電阻，即位于輸入電容的左邊；輸出濾波電容，即右邊的白色圓柱體）。（圖片來源：Mornsun)對于需要更多輸出濾波和更高水平EMI性能的設(shè)計，可以增加三個額外的元器件（圖3）。一個橫跨轉(zhuǎn)換器初級和次級側(cè)的“Y”型電容，可大幅降低噪聲并改善EMI性能。注意：為了滿足家用電器的IEC/EN60335標準，可能需要增加第二個“Y”型電容。添加一個Pi濾波器可以顯著減少輸出紋波。這可以通過以下方式實現(xiàn)：在基本設(shè)計中使用輸出電容，并增加一個電解電容（如Rubycon的35THV47M6.3X8，額定值為47μF和35V）以及一個電感。圖3：這個二級設(shè)計在初級和次級側(cè)增加了一個“Y”型電容（藍色元器件），以進一步降低噪聲和EMI，并加入了一個Pi濾波器以降低輸出紋波（該濾波器的設(shè)計方法是取下原來的白色輸出電容并添加一個電解電容（右上方的黑色元器件）和一個電感（電解電容下面的灰色元器件））。（圖片來源：Mornsun)需要A類或B類EMI級別和4級EMS性能的設(shè)計也可以使用LS-R3核心印刷電路板（圖4）來實現(xiàn)。在輸入端放置一個差模電感器，可使該設(shè)計能夠滿足A類EMI要求。圖4：增加一個差模輸入電感器（L1，PC板下方的黑色圓柱體）來滿足A類EMI限制；再增加一個“X”電容（CX1，黃色元件，中心左側(cè)）來滿足B類EMI；以及在交流輸入端增加一個壓敏電阻（MOV1，左上方藍色元器件）來滿足4級EMS。（圖片來源：Mornsun)B類EMI限制可通過增加一個“X”電容器來滿足，如TDK的B32671Z6104K000，這是一個0.1μF、630V徑向薄膜器件。4級EMS性能可通過插入一個壓敏電阻實現(xiàn)，如TDK的B72214S0351K101金屬氧化物壓敏電阻(MOV)。圖5所示的完整電路可以滿足EMI(CISPR32/EN55032)B類級別、EMS(IEC/EN61000)EFT±4kV以及±2kV浪涌。圖5：所示的完整電路圖可以滿足EMI(CISPR32/EN55032)B類級別、EMS(IEC/EN61000)EFT±4kV以及±2kV浪涌。（圖片來源：Mornsun)在圖5中，CY2是前面提到的第二個Y型電容，是滿足家用電器IEC/EN60335要求的必要元器件。LDM是差分電感器。電路板布局考慮一旦基于LS-R3的特定應(yīng)用設(shè)計完成，就該在PC板上布局外圍元器件了。LS-R3核心PC板符合IEC/EN61558、IEC/EN60335和IEC/EN/UL62368的要求，用于插入包含外圍元器件的PC板中。外圍元器件PC板的兩個關(guān)鍵考慮因素是銅印制線的正確尺寸和重量規(guī)格，以及需要足夠的爬電和間隙距離以滿足安全要求。最小的銅線寬度、厚度和重量需要根據(jù)所需的載流量和銅的最大允許溫升來計算。IPC2221A“印制電路板設(shè)計通用標準”提供了關(guān)于有機印刷電路板設(shè)計要求的信息，包括如何計算銅的規(guī)格。當(dāng)指定爬電距離和間隙距離時，需要考慮IEC60335-1或IEC60950-1。額定電壓高達250V單相交流電的家用電器和類似電器涵蓋于IEC60335-1，而信息技術(shù)(IT)涵蓋于IEC60950-1。間隙距離是兩個導(dǎo)電部件之間的穿過空氣的距離。IEC60950-1是更嚴格的標準，在150至300V的工作電壓時，強化絕緣要求4.0mm的間隙，而IEC60335-1的要求是3.5mm。爬電距離是兩個導(dǎo)電部件之間沿表面的最短距離。在這種情況下，IEC60335-1更為嚴格，在工作電壓為250至300V時，強化絕緣要求8.0mm的爬電距離，而IEC60950-1僅要求6.4mm的爬電距離。如果工作電壓介于200至250V，這兩個標準都要求5mm的爬電距離。預(yù)制的PC板雖然外圍元器件可能需要定制設(shè)計的PC板，但當(dāng)封裝要求不那么嚴格時，可使用Mornsun提供的預(yù)制PC板布局。對于所示的設(shè)計實例，Mornsun基于LS05-13BxxR3系列提供了11種預(yù)制PC板布局：兩種用于基本設(shè)計，三種滿足B類EMI和3級EMS，三種滿足A類EMI和4級EMS，以及三種滿足B類EMI和4級EMS。每一種外圍PC板布局也都有一個針對該PC板的機械要求而優(yōu)化的物料清單(BOM)。例如，對于上述符合4級EMS和B類EMI的LS05-13BxxR3解決方案，設(shè)計者可以從三種預(yù)制的外圍PC板布局中進行選擇（有相應(yīng)的BOM）。最小高度優(yōu)化：長48.5mm，寬32.2mm，高17mm幾乎相等的長度和寬度尺寸優(yōu)化：長40.5mm，寬37.5mm，高23mm最小寬度優(yōu)化：長55mm，寬25.3m