Ekonomiczne spełnienie norm międzynarodowych dzięki zasilaczom prądu zmiennego/stałego do montażu na płytce drukowanej

Zasilacze prądu zmiennego/stałego o mocy od 3 do 20W do montażu na płytce drukowanej są wykorzystywane w coraz większej liczbie zastosowań, w tym w Internecie rzeczy (IoT) i przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT), przemyśle 4.0, automatyce przemysłowej, sprzęcie audiowizualnym, sprzęcie informatycznym (ITE), inteligentnych domach i budynkach, sprzęcie AGD oraz urządzeniach konsumenckich. Podjęcie próby zaprojektowania zasilacza prądu zmiennego/stałego niskiej mocy może być kuszące, jednak proces ten jest bardziej złożony i czasochłonny, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Projekt musi spełniać trudne wymagania w zakresie parametrów działania, takich jak szczytowa dostarczana moc, wysoka gęstość mocy oraz szeroki zakres napięć wejściowych. Powinien również posiadać certyfikaty zgodności z licznymi międzynarodowymi normami bezpieczeństwa, sprawności, poboru mocy w trybie pogotowia i kompatybilności elektromagnetycznej (EMC).

Zamiast tego projektanci mogą użyć kompaktowych zasilaczy prądu zmiennego/stałego do montażu na płytce drukowanej z certyfikatami zgodności ze wszystkimi odpowiednimi międzynarodowymi normami parametrów działania, co skraca czas wprowadzania produktu na rynek. Te zasilacze o wysokiej sprawności posiadają szeroki zakres napięć wejściowych (prądu stałego lub zmiennego), zapewniając elastyczność i kompatybilność stosowania na całym świecie.

W artykule pokrótce omówiono ogólne zagadnienia dotyczące zastosowań zasilaczy prądu zmiennego/stałego. Podano też przykłady trzech modeli przetwornic prądu zmiennego/stałego do montażu na płytce drukowanej firmy RECOM Power z serii RACxx-K, wskazując kluczowe cechy i zalety określonych produktów oraz sposób ich stosowania.

Łączenie przetwornic prądu zmiennego na stały

Zasilacze prądu zmiennego/stałego można łączyć szeregowo lub równolegle, aby zapewnić wyższe poziomy mocy lub redundantną pracę z możliwością wymiany podczas pracy (ilustracja 1).

Ilustracja 1: dwie przetwornice prądu zmiennego na stały mogą być połączone szeregowo, co pozwala uzyskać wyższe napięcie (u góry), lub równolegle, co pozwala uzyskać wyższe natężenie prądu i/lub pracę redundantną (u dołu). (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Zasilacze połączone równolegle (dolna konfiguracja na ilustracji 1) mogą być używane do zapewnienia wyższych natężeń prądu lub większej niezawodności dzięki redundancji. Wyższe natężenie prądu jest możliwe, gdy oba zasilacze pracują z pełnymi nominalnymi wyjściowymi natężeniami prądu lub w ich okolicach. Napięcie wyjściowe nie zmienia się, ale dostępne natężenie prądu jest zwiększane, co zwiększa też moc wyjściową.

W konfiguracjach redundantnych wykorzystuje się wiele zasilaczy w celu zwiększenia niezawodności systemu, a nie zwiększenia dostępnego poziomu mocy. Konfiguracje redundantne mogą przybierać różne formy. W jednej z topologii podczas normalnej pracy system jest skonfigurowany do pobierania energii tylko z „podstawowego” zasilacza i do automatycznego przełączania się na zasilacz „zapasowy” w przypadku awarii zasilania podstawowego.

Redundancja N+1 to kolejna powszechna topologia stosowana w celu zwiększenia niezawodności zasilania. Układ N+1 składa się z co najmniej dwóch zasilaczy. Na ilustracji 1 dolna konfiguracja może być używana jako architektura redundantna z „N” = 1. W takim przypadku każdy z zasilaczy pracuje z 50% wydajnością podczas normalnej pracy i każdy z nich może zapewnić moc pełnego obciążenia w przypadku awarii drugiego.

Aby zwiększyć dostępną moc, zamiast podłączać zasilacze równolegle, można połączyć je szeregowo (górna konfiguracja na ilustracji 1). W tym przykładzie oba zasilacze mają to samo napięcie wyjściowe V_O, a konfiguracja szeregowa zapewnia 2V._O. Ponieważ prąd dostarczany do odbiornika nie zmienia się, podwojenie napięcia podwaja moc efektywną.

W obu konfiguracjach na ilustracji 1 znajdują się diody ORing do izolowania wyjść zasilaczy. W przypadku awarii jednego z zasilaczy diody ORing chronią system przed katastrofalną awarią. Znamionowy prąd diody ORing powinien być większy niż znamionowy prąd wyjściowy zasilacza, a znamionowe napięcie przebicia musi być większe niż napięcie wyjściowe zasilacza.

Uwagi dotyczące wejścia prądu zmiennego/stałego

Chociaż istnieje kilka sposobów podłączania wyjść co najmniej dwóch zasilaczy prądu zmiennego/stałego w celu uzyskania dodatkowych możliwości, podłączenie wejść dwóch przetwornic prądu zmiennego na stały w celu zwiększenia zakresu napięć wejściowych nie jest możliwe. Z tego powodu coraz popularniejsze są zasilacze prądu zmiennego/stałego z szerokim zakresem wejściowym (zwanym także wejściem uniwersalnym). Zabezpieczenie bezpiecznikiem jest również ważnym aspektem dla wejść zasilaczy prądu zmiennego/stałego (ilustracja 2).

Ilustracja 2: zwykle stosowany jest jeden bezpiecznik wejściowy (u góry), ale jeśli wejście nie jest spolaryzowane, bezpieczniki można umieścić na obu liniach wejściowych (u dołu). (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Generalnie zaleca się stosowanie bezpieczników zwłocznych. Bezpieczniki można podłączyć do obu linii wejściowych, jeśli wejście prądu zmiennego nie jest spolaryzowane. Typowe zalecane parametry dotyczące rozmiaru bezpieczników dla jednofazowych zasilaczy prądu zmiennego/stałego: 1,5A dla wyjść poniżej 40W, 2A dla wyjść powyżej 40W, ale mniej niż 60W oraz 3A dla wyjść o mocy 60W lub większej.

Jeśli zasilacz prądu zmiennego/stałego posiada wtyk uziemienia (FG), należy go podłączyć do uziomowego punktu bezpieczeństwa. Napięcie wyjściowe -V_OUT można podłączyć do wtyku uziemienia (FG), które stanie się punktem odniesienia dla wyjścia+V_OUT. Projektanci powinni stosować krótkie, grube złącza zapewniające solidne połączenia w celu jeszcze dalszego zmniejszenia zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) (ilustracja 3).

Ilustracja 3: napięcie wyjściowe można podłączyć do uziemienia, które stanie się punktem odniesienia dla wyjścia. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

3W dla Internetu rzeczy (IoT), przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) i zastosowań domowych

Projektantom rozwiązań z zakresu IoT, IIoT i urządzeń domowych o zapotrzebowaniu na moc 3W firma RECOM oferuje zasilacz prądu zmiennego/stałego RAC03E-K/277, który dysponuje pojedynczym, ściśle regulowanym wyjściem o napięciu 12V= (inne modele są dostępne z wyjściami od 3,3 do 24V=). Te certyfikowane na całym świecie zasilacze charakteryzują się rozszerzonym zakresem napięć wejściowych od 85 do 305V~ lub 120 do 430V= i są zgodne z wymogami ErP w zakresie zasilania w trybie pogotowia. Seria RAC03E-K/277 ma szeroki zakres temperatur roboczych, zapewniając pełną moc wyjściową przy temperaturze od -30 do 75°C (z wyjątkiem jednostek z wyjściem 3,3V, które zapewniają pełną moc do temperatury 70°C) przy naturalnym chłodzeniu konwekcyjnym (ilustracja 4).

Ilustracja 4: urządzenia z serii RAC03E-K/277 mają szeroki zakres temperatur roboczych, zapewniając pełną moc wyjściową przy temperaturze od -30 do 75°C (z wyjątkiem jednostek z wyjściem 3,3V, które zapewniają pełną moc do temperatury 70°C). (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Omawiane zasilacze zajmują powierzchnię 3,68cm (1,45”) na 2,41cm (0,95”) i mają niski profil 15,4mm. Dzięki izolacji 4kV~ między wejściem a wyjściem nadają się do zastosowań na całym świecie i spełniają następujące normy:

• Certyfikat UL/IEC/EN62368-1
• Certyfikat CAN/CSA C22.2 nr 62368-1
• Certyfikat EN60335-1 (w trakcie uzyskiwania)
• Certyfikat EN62233 (w trakcie uzyskiwania)
• Certyfikat IEC/EN61558-1/2-16 (w trakcie uzyskiwania)
• Zgodność z normą EN55032/EN55035

10W dla automatyki procesów i inteligentnych budynków

140% mocy szczytowej zasilacza prądu zmiennego/stałego RAC10-05SK/277 o mocy 10W i napięciu 5V spełnia chwilowe zapotrzebowanie na energię układów z odbiornikami indukcyjnymi o wysokim prądzie rozruchowym lub nieliniowymi, takich jak układy do automatyki procesów i do inteligentnych budynków (ilustracja 5). Omawiane zasilacze prądu zmiennego/stałego do montażu na płytce drukowanej posiadają międzynarodowe certyfikaty bezpieczeństwa zarówno dla norm przemysłowych, jak i domowych.

Ilustracja 5: zasilacze prądu zmiennego/stałego RAC10-05SK/277 10W posiadają międzynarodowe certyfikaty bezpieczeństwa zarówno dla norm przemysłowych, jak i domowych. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Modele 10W są dostępne z pojedynczym napięciem wyjściowym w zakresie od 3,3 do 24V= lub w wersjach z dwoma wyjściami, które dostarczają ±12 lub ±15V=. Zasilacze te spełniają wymagania kategorii III przepięcia zasilaczy wg normy IEC62477-1 (OVC III) dla systemów przemysłowych stosowanych w instalacjach stacjonarnych oraz w przypadkach, w których niezawodność i dostępność sprzętu podlega specjalnym wymaganiom. Zasilacze w tych instalacjach mają zwykle stałe, przewodowe połączenie z rozdzielnicą tablicową prądu zmiennego. Zasilacze prądu zmiennego/stałego, podobnie do omówionego powyżej 3-watowego urządzenia RAC03E-K/277, mają bardzo szeroki zakres napięć wejściowych - od 85 do 305V~ lub 120 do 430V=.

Zasilacze 20W o bardzo niskiej mocy bez obciążenia

Projektanci urządzeń IoT i inteligentnych mogą skorzystać na zastosowaniu modułu prądu zmiennego/stałego serii RAC20-K 20W. Na przykład wersja RAC20-48SK generuje napięcie wyjściowe 48V= przy poborze prądu na poziomie zaledwie 40mW w stanie bez obciążenia w trybie stałego uruchomienia i trybie pogotowia. Omawiane zasilacze są zgodne z trybem czuwania ErP Lot 6. Są dostępne z szerokim zakresem wejściowym od 85 do 264V~ i opcjonalnym bardzo szerokim zakresem wejściowym od 85 do 305V~ lub 120 do 370V=. Zmodyfikowane wersje tych zasilaczy są zgodne z normą dla zasilaczy IEC62477-1 OVC III. Omawiane zasilacze do montażu na płytce drukowanej są dostępne z pojedynczym napięciem wyjściowym w zakresie od 5 do 48V= lub w wersjach z dwoma wyjściami, które dostarczają ±12 lub ±15V=. Zasilacze te charakteryzują się wysoką sprawnością od niewielkich obciążeń do pełnego obciążenia, co pokazano na wykresie dla wersji RAC20-05SK 5V (ilustracja 6).

Ilustracja 6: wykres zależności sprawności od obciążenia wyjściowego dla modelu RAC20-05SK (z wyjściem 5V) pokazuje wysoką sprawność od niewielkich obciążeń do pełnego obciążenia. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Zasilacze prądu zmiennego/stałego RAC20-48SK spełniają wymogi normy EN 55022 klasy B dotyczącej emisji przewodzonych bez dodatkowego filtrowania. Posiadają zakres temperatur roboczych od -40°C do 85°C i międzynarodowe certyfikaty bezpieczeństwa dla sprzętu przemysłowego, audiowizualnego oraz informatycznego, w tym (* = w trakcie uzyskiwania dla modeli o bardzo szerokim zakresie wyjściowym):

• Certyfikat IEC/EN62368-1
• Certyfikat UL62368-1
• Certyfikat CAN/CSA-C22.2 nr 62368-1-14
• Certyfikat IEC/EN60335*
• Certyfikat IEC/EN61558-1*
• Certyfikat IEC/EN61558-2-16*
• Zgodność z normą IEC/EN61204-3 *
• Zgodność z normą EN55032/14 *
• Zgodność z normą EN55024 *

Dwa wyjścia z jednego wyjścia

Jak wspomniano powyżej, zasilacz RAC03E-K/277 3W jest dostępny tylko w wersji z jednym wyjściem. Zasilacze prądu zmiennego/stałego RAC10-05SK/277 10W i RAC20-48SK 20W są dostępne w ofercie z jednym i dwoma wyjściami. Jednak konfiguracje z dwoma wyjściami są ograniczone do napięcia ±12 lub ±15V=. W niektórych zastosowaniach może być potrzebna inna kombinacja napięć wyjściowych. W takich przypadkach projektanci mogą sparować jeden zasilacz prądu zmiennego/stałego z przetwornicą prądu stałego lub regulatorem przełączającym o niższej mocy, aby zapewnić pomocnicze napięcie wyjściowe lub ujemną szynę wyjściową (ilustracja 7).

Ilustracja 7: w celu wytworzenia pomocniczego napięcia wyjściowego (u góry) lub szyny napięcia ujemnego (u dołu) z zasilaczem prądu zmiennego/stałego można połączyć regulator przełączający (R-78xx, u góry) lub przetwornicę prądu stałego (u dołu). (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Lepsze filtrowanie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI)

Wszystkie zasilacze prądu zmiennego/stałego z serii RECOM RAC omówione w niniejszym artykule mają wbudowany filtr liniowy, który spełnia wymagania normy EN 55022 w zakresie emisji przewodzonych dla urządzeń klasy B. W bardziej wymagających zastosowaniach może być potrzebne dodatkowe filtrowanie. W przypadku dodania filtra zewnętrznego należy zastosować topologię gwiazdy z uziemieniem, a okablowanie między filtrem zewnętrznym a konwerterem powinno być możliwie najkrótsze (ilustracja 8).

Ilustracja 8: zasilacze prądu zmiennego/stałego RECOM RAC są zgodne z normą EN 55022 w zakresie emisji przewodzonych dla urządzeń klasy B. W razie potrzeby można dodać filtr zewnętrzny. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Podsumowanie

Zapotrzebowanie na zasilacze prądu zmiennego/stałego o niskiej mocy do montażu na płytce drukowanej stale rośnie, jednak są to systemy złożone. Jeśli projektant nie jest dobrze zorientowany w niuansach projektowania, testowania i zgodności z przepisami zasilaczy, projektowanie ich od podstaw może być czasochłonne oraz zwiększać koszty, opóźniać harmonogramy projektowania i kosztować więcej miejsca na płycie, niż jest to konieczne.

W wielu przypadkach lepszym rozwiązaniem jest wybór spośród wielu standardowych, kompaktowych zasilaczy prądu zmiennego/stałego do montażu na płytce drukowanej. Są one dostępne w szerokiej gamie zakresów napięcia wejściowego zarówno prądu stałego, jak i zmiennego. Ponadto prawdopodobnie posiadają już certyfikaty zgodności z wszelkimi odpowiednimi międzynarodowymi normami parametrów działania i przepisami dotyczącymi zgodności.

Rekomendowane artykuły

1. Przewodnik doboru i użycia źródeł zasilania IoT oraz IIoT