Kostnadseffektivt å oppfylle internasjonale standarder med kortmonterte AC-DC-strømforsyninger

Kortmonterte vekselstrømforsyninger/likestrømsforsyninger fra 3 til 20 watt brukes på tvers av et økende utvalg av utrustninger, inkludert IoT (Internet of Things) og IIoT (Industrial IoT), Industri 4.0, industriell automatisering, lydvisuelt utstyr, informasjonsteknologiutstyr (Internet of Things), smart house/building, hvitevarer og forbrukeranlegg. Selv om det kan være fristende å prøve å designe AC-DC-strømforsyninger med lav effekt, er prosessen mer kompleks og tidskrevende enn den kan se ut til å være ved første øyekast. Designene må oppfylle utfordrende ytelseskrav, inkludert brede inngangsspenningsområder, toppeffektlevering og høye effekttettheter. De må også være sertifisert etter en rekke internasjonale standarder for sikkerhet, effektivitet, standby-effekt og elektromagnetisk kompabilitet (EMC).

I stedet kan designere bruke kompakte kortmonterte AC-DC-strømforsyninger som er sertifisert i henhold til alle relevante internasjonale ytelsesstandarder, fartstid til markedet. Disse effektive strømforsyningene har brede inngangsspenningsområder og kan akseptere vekselstrøm- eller likestrømsinnganger for fleksibilitet og verdensomspennende kompatibilitet.

Denne artikkelen utforsker kort generelle betraktninger som må vurderes i forbindelse med AC-DC-strømforsyning. Den gir deretter eksempler på tre kortmonterte AC-DC-strømkonverteringsalternativer fra RECOM Powers RACxx-K-serie, som identifiserer viktige funksjoner og fordeler ved spesifikke produkter og hvordan de brukes.

AC-DC-omformerkombinasjoner

AC-DC-Strømforsyninger (vekselstrøm-likestrøm) kan kobles i serie eller parallelt for å gi høyere strømnivå eller redundant varmgangsdrift (figur 1).

Figur 1: To AC-DC-omformere kan kobles i serie for høyere spenning (topp) eller parallelt for høyere strøm og/eller redundant drift (bunn). (Bildekilde: RECOM Power)

Parallellkoblede strømforsyninger (den nedre konfigurasjonen i figur 1) kan brukes til å gi høyere strømmer eller høyere pålitelighet gjennom redundans. Høyere strøm er mulig når begge strømforsyningene drives ved eller i nærheten av sine fullt nominelle utgangsstrømmer. Utgangsspenningen endres ikke, men den tilgjengelige strømmen økes, noe som øker utgangseffekten.

Redundante strømkonfigurasjoner bruker flere strømforsyninger for å øke systemets pålitelighet, ikke for å øke det tilgjengelige strømnivået. Redundante konfigurasjoner kan ta flere former. I én topologi er systemet konfigurert til å trekke strøm fra bare den «primære» strømforsyningen under normal drift og til automatisk å bytte til «backup» strømforsyningen i tilfelle den primære forsyningen skulle svikte.

N+1 redundans er en annen vanlig topologi som brukes til å øke påliteligheten for strømforsyning. Et N+1-system består av to eller flere strømforsyninger. I figur 1 kan den nedre konfigurasjonen brukes som redundant arkitektur med «N» = 1. I dette tilfellet går hver av strømforsyningene på 50 % av kapasiteten under normal drift, og hver av dem kan levere full lastkraft hvis den andre strømforsyningen skulle svikte.

I stedet for å parallellkoble strømforsyninger for å øke den tilgjengelige strømmen, kan den også økes ved å koble strømforsyninger i serie (øverste konfigurasjon i figur 1). I dette eksemplet har begge strømforsyningene samme utgangsspenning, V_O, og seriekonfigurasjonen leverer 2 V_O. Siden strømmen som leveres til lasten ikke endres, fordobler fordoblingen av spenningen den effektive effekten.

Begge konfigurasjonene på figur 1 inkluderer OR-dioder for å isolere utgangene fra strømforsyningene. Hvis en av strømforsyningene svikter, beskytter ORing-diodene systemet mot katastrofal svikt. ORing-diodestrømklassifiseringen bør være større enn utgangsstrømklassifiseringen av strømforsyningen, og klassifiseringen av bruddspenning må være større enn utgangsspenningen for strømforsyningen.

Betraktninger som må vurderes i forbindelse med AC-DC-inngangsmodul

Selv om det er flere måter å koble utgangene til to eller flere AC-DC-strømforsyninger sammen for ytterligere funksjonalitet, er det ikke mulig å koble inngangene til to AC-DC-konvertere for å øke inngangsspenningsområdet. Det er av den grunn at AC-DC-strømforsyninger med bred inngang (også kalt universal inngang) blir stadig mer populære. Sikringsbeskyttelse er også en viktig ting å ta i betraktning for strømforsyningsinnganger for vekselstrøm-likestrøm (figur 2).

Figur 2: Vanligvis brukes en enkelt inngangssikring (topp), men hvis inngangen ikke er polarisert, kan sikringer plasseres i begge inngangsledningene (bunn). (Bildekilde: RECOM Power)

Bruk av tidsforsinkelsessikringer (også kalt langsom utløsning) anbefales generelt. Sikringer kan kobles til begge inngangsledningene hvis AC-inngangen ikke er polarisert. Typiske sikringsstørrelsesanbefalinger for enfasede AC-DC-strømforsyninger er 1,5 ampere (A) for utganger under 40 watt, 2 A for utganger over 40 watt, men mindre enn 60 watt, og 3 A for utganger på 60 watt eller mer.

Hvis AC-DC-strømforsyningen har en jordingspinne (FG), må den jordes til et sikkerhetsjordpunkt. V_OUT-utgangsspenningen kan kobles til FG, og refererer til +V_OUT-utgangen til jord. Konstruktørene bør angi korte, tykke forbindelser for å garantere faste forbindelser for ytterligere å redusere elektromagnetisk interferens (EMI) (figur 3).

Figur 3: Utgangsspenningen kan kobles til jord for å referere til utgangen til jord. (Bildekilde: RECOM Power)

3 watt for IoT-, IIoT- og husholdningapparater

For designere av IoT, IIoT og husholdningapparater som krever 3 watt strøm, tilbyr RECOM RAC03E-K/277 AC/DC-strømforsyning som leverer en enkelt, stramt regulert 12 volt DC-utgang (andre modeller er tilgjengelige med utganger fra 3,3 til 24 volt DC). Disse internasjonalt sertifiserte strømforsyningene har et utvidet bredt inngangsspenningsområde fra 85 til 305 volt vekselstrøm eller 120 til 430 volt likestrøm og er i samsvar med ErP standby-strømkrav. RAC03E-K/277-serien har et bredt driftstemperaturområde, og leverer full utgangseffekt fra -30 til +75 °C (unntatt 3,3-volts utgangsenheter som leverer full effekt til +70 °C) under naturlig konveksjonskjøling (figur 4).

Figur 4: RAC03E-K/277-seriens enheter har et bredt driftstemperaturområde, som leverer full utgangseffekt fra -30 til +75 °C (unntatt 3,3-volts utgangsenheter som leverer full effekt til +70 °C). (Bildekilde: RECOM Power)

Disse strømforsyningene har et fotavtrykk på 1,45 tommer x 0,95 tommer og en lav 15,4 mm profil. Deres Ac-inngang på 4 kV til utgangsisolasjon gjør dem egnet for verdensomspennende applikasjoner, og de oppfyller følgende standarder:

• UL/IEC/EN62368-1-sertifisert
• CAN/CSA C22.2 nr. 62368-1-sertifisert
• EN60335-1 (under behandling)
• EN62233 (under behandling)
• IEC/EN61558-1/2-16 (under behandling)
• Samsvarer med EN55032/EN55035

10 watt for prosessautomasjon og smarte bygninger

Toppseffektkapasiteten på 140 % for 10-watts RAC10-05SK/277 5-volts likestrømsutgang AC-DC-strømforsyning støtter de forbigående strømbehovene til systemer med induktiv, høy oppstartsstrøm eller ikke-lineære belastninger som prosessautomatisering og utrustninger smarte bygninger (figur 5). Disse trykte kretskortmonterte AC-DC-strømforsyningene har internasjonale sikkerhetssertifiseringer for både industrielle standarder og husholdningsstandarder.

Figur 5: 10-watts AC-DC-strømforsyninger RAC10-05SK/277 har internasjonale sikkerhetssertifiseringer for både industrielle standarder og husholdningsstandarder. (Bildekilde: RECOM Power)

10-Watts modellene er tilgjengelige med enkeltutgangsspenninger fra 3,3 til 24 volt DC, eller i doble utgangsversjoner som leverer ±12 eller ±15 volt DC. Disse strømforsyningene oppfyller IEC62477-1 strømforsyningsoverspenningskategori III (OVC III) for industrielle systemer som brukes i faste installasjoner, og for tilfeller der påliteligheten og tilgjengeligheten til utstyret er underlagt spesielle krav. Strømforsyningene i disse installasjonene har vanligvis en permanent, hardtrådet tilkobling til vekselstrømsfordelingspanelet (AC). I likhet med 3-watt RAC03E-K/277 som er vi tar for oss ovenfor, har disse vekselstrømforsyningene et ekstra bredt inngangsspenningsområde på 85 til 305 volt vekselstrøm eller 120 til 430 volt likestrøm.

Strømforsyninger på 20 watt med ultralav ubelastet effekt

Designere av IoT og smarte enheter kan dra nytte av å bruke 20-watts RAC20-K-serien av AC-DC-moduler (vekselstrøm-likestrømsmoduler). RAC20-48SK-versjonen produserer for eksempel en 48 volts likestrømsutgang med bare 40 milliwatt (mW) strømforbruk uten last i applikasjoner i alltid påslått modus og hvilemodus. Disse strømforsyningene har ErP Lot 6 Standby-modus-samsvar. De er tilgjengelige med et bredt inngangsområde på 85 til 264 volt vekselstrøm, og et valgfritt ekstra bredt inngangsområde på 85 til 305 volt vekselstrøm eller 120 til 370 volt likestrøm. Modifiserte versjoner av disse strømforsyningene oppfyller IEC62477-1-strømforsyning OVC III. Disse kretskortmonterte strømforsyningene er tilgjengelige med enkeltutgangsspenninger fra 5 til 48 volt DC, eller i doble utgangsversjoner som leverer ±12 eller ±15 volt DC. Disse strømforsyningene har høy virkningsgrad fra lette laster til full last, som vist i diagrammet for RAC20-05SK 5-voltsversjonen (figur 6).

Figur 6: Plottet for effektivitet kontra utgangslast for RAC20-05SK (5 volts utgangsmodell) viser høy virkningsgrad fra lette laster til full last. (Bildekilde: RECOM Power)

RAC20-48SK AC-DC-strømforsyninger oppfyller kravene til gjennomførte utslipp i klasse B i NS-EN 55022 uten ytterligere filtrering. De har et driftstemperaturområde fra -40 °C til +85 °C og leveres med internasjonale sikkerhetssertifiseringer for industrielt, lyd-, visuelt og informasjonsteknologisk utstyr, inkludert (* = ventende for de ekstraomfattende inndatamodellene):

• IEC/EN62368-1-sertifisert
• UL62368-1-sertifisert
• CAN/CSA-C22.2 No. 62368-1-14-sertifisert
• IEC/EN60335-sertifisert *
• IEC/EN61558-1-sertifisert *
• IEC/EN61558-2-16-sertifisert *
• Samsvarer med IEC/EN61204-3 *
• Samsvarer med EN55032/14 *
• Samsvarer med EN55024 *

To utganger fra en enkelt utgang

Som nevnt ovenfor, er 3-watt RAC03E-K/277 bare tilgjengelig i en enkelt utgangskonstruksjon. AC-DC-strømforsyninger på 10 watt RAC10-05SK/277 og 20 watt RAC20-48SK tilbys med enkle og doble utganger. De doble utgangskonfigurasjonene er imidlertid begrenset til ±12 eller ±15 volt DC. I noen programmer kan det være nødvendig med en annen kombinasjon av utgangsspenninger. I disse tilfellene kan konstruktører koble en AC-DC-strømforsyning med én utgangsstrømforsyning med en DC-DC-omformer med lavere effekt eller spenningsregulator (vekslingsregulator) for å levere en ekstra utgangsspenning eller en negativ utgangsskinne (figur 7).

Figur 7: En spenningsregulator (vekslingsregulator) (R-78xx, på toppen) eller en DC-DC-omformer (bunn) kan kombineres med en AC-DC-strømforsyning for å produsere en ekstra utgangsspenning (topp) eller en negativ spenningsskinne (bunn). (Bildekilde: RECOM Power)

Mer EMI-filtrering

Rekom-RAC-DC-strømforsyninger i RAC-serien som omtales i denne artikkelen, har alle et innebygd linjefilter som oppfyller gjennomførte utslipp i klasse B i NS-EN 55022. I mer krevende programmer kan det være nødvendig med ytterligere filtrering. Når et eksternt filter legges til, bør en sentral stjernejordingskabeltopologi brukes, og kablingen mellom det eksterne filteret og omformeren bør være så kort som mulig (figur 8).

Figur 8: Rekom-RAC-AC-DC-strømforsyninger oppfyller EN 55022 klasse B for ledningsbundne utslipp. Et eksternt filter kan legges til om nødvendig. (Bildekilde: RECOM Power)

Konklusjon

Behovet for kortmontert AC-DC-strøm med lav effekt fortsetter å øke, men de forblir komplekse systemer. Hvis en designer ikke er godt kjent med nyansene i konstruksjon av strømforsyning, test og regelsamsvar, kan det være tidskrevende å designe dem fra bunnen av, noe som også legger til kostnader, forsinker designplaner og tar opp mer plass på kretskortet enn nødvendig.

Et bedre alternativ i mange tilfeller er å velge mellom en rekke serieproduserte, kompakte AC-DC-strømforsyninger for kortmontering, som er «hyllevare». Som vist kommer disse i et bredt utvalg av inngangsspenningsområder og kan akseptere enten vekselstrøm- eller likestrømsinnganger. I tillegg vil de sannsynligvis allerede være sertifisert i henhold til relevante internasjonale ytelsesstandarder og samsvarsforskrifter.

Anbefalt lesing

1. En guide til å velge og bruke IoT- og IIoT-strømkilder