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全能型高功率密度AC/DC电源设计详解

全能型高功率密度AC/DC电源设计详解

AC/DC作为一次电源为用户的整个系统供电,是保障系统稳定和高效运行的基石。在电力电子领域的不断发展和创新下,开关电源技术朝向标准化、小型化、高效化、节能环保等方向发展,然而目前的电源市场总体来看,种类繁多,各厂家的设计、制造、服务等能力水平参差不齐,同质化严重。五花八门的产品让人眼花缭乱,这使工程师们难以选到合适的产品。

对于任何电源厂商而言,AC/DC电源的体积、可靠性、EMC性能、适用性等,都不是一个简单的课题,而要做好一款全能型的电源更是难上加难。

针对这一现状,金升阳推出精品战略,在整合多维度的研究成果后,120-550W高功率密度AC/DC电源--LOF系列应运而生。本文以LOF550系列为例,带您深入了解LOF系列电源的设计要点。

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创新工艺设计、精益求精

精心优化设计,打造超高功率密度

LOF550系列效率高达94%. 功率密度高达23W/Inch3,满足1U标准系统应用。充分契合电源产品小型化,便于携带的发展方向。

1)设计上采用主动式PFC电路,功率因素高达0.99;采用SiC二极管替代传统的快速恢复二极管,降低因二极管反向恢复带来的叠加在MOS上的尖峰电流,提高EMC特性的同时,可以降低MOS管切换损耗,提高效率。(图1,图2)

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2)主功率部分采用软开关设计,原边MOS实现零电压导通,降低切换损耗。(图3,图4)

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3)输出采用同步整流设计

用MOS管整流替代二极管整流,利用MOS管较低的Rdson(毫欧级别),大大降低导通损耗,提高效率。

4)平面变压器设计

市面上常见的绕线方式设计的低压大电流变压器往往无法避免采用飞线方式,不仅作业困难,而且增加产品尺寸,影响产品整体外观。(图5)

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LOF550系列采用平面变压器设计,输入采用线饼设计,输出采用铜片或扁平线设计,风扇供电采用PCB绕组的方式,整个变压器实现无飞线设计,尺寸大幅缩小,且不需要变压器骨架,装配简单,整体外观精美。(图6) 

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安全可靠、保护升级

保护功能齐全,无需外部增设

1)产品自带OCP/OVP/SCP等多种输出保护功能,让客户可放心使用;

2)原副边双重OTP功能设计,在各种异常条件下均能实现可靠保护。(图7,图8)

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3)低纹波噪声。整个系列输出纹波噪声规格控制在200mv以内。(图9)

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4)输出采用105℃,长寿命,Low ESR电解电容,整机三年质保。

5)采用特殊焊接工艺,相比传统的波峰焊工艺,可大幅降低器件过炉后虚焊、补焊比例、提高产品可靠性。

6)产品自带PG通讯功能:

a.AC上电时,在电源输出之后,PG信号延迟启动,通知客户系统电源输出OK;

b.AC下电以及输出异常保护时,PG信号提前关断,提前通知客户系统电源Fail。

兼容设计适用范围广

兼容多种系统安装

目前市面上大部分开板产品,大部分都是无底座设计,这样就会导致实际客户系统应用无法完全兼容,遇到没有凸台或支撑柱的系统,就无法直接安装。

LOF550系列在设计上充分考虑客户系统应用场景,在底部增加绝缘片和金属底座,金属底座4个螺丝孔为电源板和客户系统共用,客户系统螺钉可深入底板内部3mm用于固定,完美兼容没有凸台或支撑柱的系统。(图10)

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Ⅰ类设备和Ⅱ类设备均可使用

电源根据外壳接地和不接地可分为Ⅰ类设备和Ⅱ类设备,输入端子也分别对应为3pin和2pin,使用起来有局限性. 若采用3pin端子,则Ⅱ类设备采用2pin端子就无法直接兼容。

LOF550系列产品在设计上比较灵活,在采用2pin端子的同时,为客户预留一个接地插片(图11),其中开板产品适用于Ⅰ类设备,衍生配套外壳产品可同时适用于Ⅰ类设备和Ⅱ类设备。

配置拓展外壳封装

相对于纯开板电源设计,应用场景比较单一,为拓展产品应用场景,LOF550系列采用5”×3”标准尺寸,并配套不同类型外壳设计。(图12,图13)

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宽输入电压范围

全球通用的标准市电范围为90-264VAC。由于部分地区供电不稳定,电网电压经常会出现波动超出264VAC的情况,若电源设计不够可靠,比如大电解电容耐压过低,就容易出现电源损坏的情况。

相同情况下,高压电解电容的耐压越高,尺寸越大。在高功率密度产品中,为了节省空间,常常会妥协采用耐压相对较低的高压电解电容,这样就会大大降低电源产品对电网电压波动的适应性。LOF550系列兼得高功率密度和耐高压输入,采用450V高压电解电容,安全可靠,可保证305VAC输入不损坏。(图14)

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增加备用电源和Ps_on控制功能

针对高功率密度的产品,目前经常被采用的是一种自带高压启动的主控IC方案,AC上电,产品即有输出,无其它控制开关,对于有辅助电源待机要求的系统则无法兼容使用。

为增加客户体验和产品通用性,LOF550产品在以上常用设计方案的基础上,增加单独的5VSb辅助备用电源和PS_on控制功能:

a. AC上电,PS_on信号默认为高电平,可正常输出

b. PS_on信号接低电平时,主输出关断,只有5Vsb辅助电源输出

认证全面、适用多种应用领域

除满足IEC/EN61000、IEC/UL/EN62368、GB4943外还兼容满足如下标准:

EN60601医疗行业认证标准

1)漏电流低至0.1mA,适用于医疗设备BF类应用

2)隔离耐压和安规距离满足医疗标准:

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优异EMC设计

从电源设计人员的角度来讲,医疗电源要求的超低漏电流、高安全距离和耐压等指标和小型化,高功率密度设计是相互掣肘的,市面上大部分产品会在EMI方面做出让步,只满足CLASS A标准,这大大增加了电源产品对医疗设备内部其它功能电路模块产生干扰的可能性。

LOF550系列EMC裸机,传导、辐射满足CLASS B:

a.输入EMI滤波模块,PFC模块和主功率模块分别集中布局并采用散热器(接地)巧妙隔离。将EMI干扰降到最低,同时减少EMC部分元器件,优化空间。550W满功率输出,输入整流桥前端,可仅用1级Y电容。(图15)

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b.输入采用扁平线共模电感设计,全自动化绕线,无交叉重叠,匝间电容小,阻抗平衡好,EMI效果远超传统磁环共模电感,且体积小,外观精美。(图16)

LOF550-20B12 传导特性曲线

(接地测试)

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LOF550-20B12辐射特性曲线

(接地测试)

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满足IEC60335家电类认证

原副边采用双Y串连的方式设计。

小结

LOF系列高功率密度电源在设计上始终以安全可靠为前提,在此基础上充分收集和考虑了不同应用领域以及客户端不同应用场景的各种常见问题,并采用创新式的思维方式和电路设计,结合前沿的工艺以及结构设计集中解决了一大批应用中的问题和痛点,功能强大,兼容性强,且外观精美,充分体现了金升阳在电源行业的积累沉淀,我们亦将在此基础上,将更多研发精力投入到电源技术的突破中,深入解决客户应用的痛点。

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王妍
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