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安装裸板型和 U 外壳型 PSU 以确保安全和性能

时间：2019-05-15 10:15来源：21Dianyuan

摘要：​许多（如果不是大多数）ACDC电源（PSU）以裸板型交付，这意味着它们没有完全封闭。由于它们通常安装在设备内部，这种方法可以最有效地使用任何强制空气冷却，并节省成本。由于这些设备需要专业安装，因此它们被视为组件，为了安全起见，需要依靠产品外壳，并保护它们不受元件的影响。

本文作者：Gary Bocock, XP Power技术总监

许多（如果不是大多数）AC/DC电源（PSU）以裸板型交付，这意味着它们没有完全封闭。由于它们通常安装在设备内部，这种方法可以最有效地使用任何强制空气冷却，并节省成本。由于这些设备需要专业安装，因此它们被视为组件，为了安全起见，需要依靠产品外壳，并保护它们不受元件的影响。

U外壳型是这个主题的一个变体，由一个安装在U型铝底板上的裸板型PSU组成。铝通常包含多个预钻孔和螺纹孔，安装人员可以选择多种安装方式。从热管理的角度来看，PSU制造商可以将主要半导体与铝热粘合，从而创建更好的热传导路径，提高PSU的性能和可靠性。

在计划安装任何类型的PSU时，包括裸板型和U外壳型，设计者必须考虑几个因素。不可避免地，安全、热管理和电磁兼容性（EMC）成为首要考虑因素。

PSU的规格可能很复杂，尤其是在考虑线路电压和温度变化的降额时，破译最佳情况额定值和实际值之间的差异。高质量的PSU不需要在线路（输入）电压低至90Vac的情况下降低功率，并且可以在环境温度至少为50摄氏度的情况下保持满载功率。如果线路电压降至90Vac，设计裕度较低的PSU可能需要20%的降额，并且可能难以在40摄氏度以上提供满载功率，所有这些都可以满足设计要求并限制最终应用的性能。

安全至关重要
安全考虑可能看起来很复杂，因为它们与单个PSU的功率和电压额定值以及最终应用相关，医疗应用是其中最严格的。标准将规定必须维持到电源所有面上的爬电距离和间隙距离；这些距离与PSU任何主要部件和任何接地金属部件之间的距离有关。例如，Class I系统要求该距离为2毫米（医疗应用为2.5毫米）。为了确保一致性，通常在PSU安装中添加绝缘体。

Class I类PSU提供安全接地连接，由于这是整个系统安全系统的重要组成部分，因此必须正确连接到设备安全接地。实现这一点的方法有几种，通常包括使用交流电源输入连接器、使用“铲”型Faston连接器或其中一个安装衬套。为达到系统的敏感度和排放要求，提供多个接地点并不罕见——这些不是选项，必须全部连接以确保适当的性能和遵守法规。

在Class II系统中，间隔距离通常大于Class I，尽管使用非金属（因此不导电）外壳通常会抵消这些距离。

 
图1：裸板型电源
 
使用U外壳型PSU的一个很好的原因是，它可以显著简化许多有关安全的问题。例如，PSU制造商将把安全接地连接到机板上，安装人员只需要用通常提供的固定件将机箱连接到设备外壳上。由于制造商也将裸板型PSU安装在外壳中，因此所有间隙都将得到处理，但是安装人员应密切注意PSU组件的顶部和U外壳型的终端部，因为它们是外露的，因此需要确保不会违反安全距离。

  
图2a 和2b：有盖和无盖的U外壳型电源

U外壳型不仅使安全性更容易，而且使安装方法更简单。安装裸PCB时，必须将支架和其他硬件添加到物料清单（BOM）中并进行采购。相比之下，与螺纹安装位置相比，U外壳型PSU只需要标准的机器螺钉。但是，制造商提供最大螺钉长度时必须遵守这些指导，以避免降低任何安全临界爬电距离和间隙距离。

由于U外壳型可以直接固定在设备机板上，而PSU制造商将发热功率半导体连接到机板上，因此在环境中形成了低电阻热通道。这将降低组件的温度和外壳内的环境温度，从而延长组件的使用寿命。

所有类型的PSU都包括一个输入保险丝，用于医疗应用的PSU通常包括两个一般安全所需的保险丝，并在发生灾难性故障时作为防火措施。在大多数情况下，保险丝是PSU不可分割的一部分，不可由用户更换。

在熔合问题上，大多数裸板型和U外壳型PSU需要接线，以将线路输入传输到PSU本身的输入端。除了相关的指示器、连接器和开关外，电缆也是可能发生灾难性故障的另一个区域，因此必须进行熔合。

在选择输出接线时，安装人员不仅必须考虑PSU的正常额定输出，还必须考虑故障情况下可能出现的电流和电压水平，并相应地选择接线，以确保在所有条件下都能保持安全。

最后的安全考虑是确保PSU的安装方式能够保持其热额定值。许多安全关键部件具有必须遵守的最高温度额定值。

电磁兼容噪声性能
虽然接地连接对安全很重要，但它们在遵守EMC法规方面也有重要作用，这就是为什么许多裸板型PSU将有两个或三个接地点的原因。靠近输入端（在Class I系统中）的点通过Y电容器（共模滤波电容器）接地线路和中性点，并提供安全接地连接。Y电容器（连同共模电感器）的主要作用是减少电源内电压尖峰引起的噪声尖峰。

在输出级也有共模电容滤波器，以降低电流相关噪声，并提供第二个接地连接，以便直接接地。由于这些滤波器对电磁兼容性性能至关重要，因此所有接地点都通过低阻抗接地路径连接，这对于法规遵从性至关重要。

在任何有金属外壳的应用中，这是很容易实现的，但即使外壳是由非导电材料（如塑料）制成，电磁兼容性相关接地的要求仍然存在。在这些情况下，安装人员必须找到另一种方法来接地这些点。
虽然这看起来很复杂，但PSU制造商总是会在数据表上确定需要接地（或通信）的点，因此这是一个很好的信息来源，如图所示。

 
图3：显示安装点接地连接的裸板型电源设计图
 
理想情况下，通过将PSU固定到接地金属板上，这些连接不需要电线。在不寻常的情况下，这可能是不可能的或实际的，因此使用了电线。如果使用导线，则必须小心地指定（或过度指定），以确保低阻抗以及确保寄生元件不会影响滤波器的性能。多股电缆通常是一个好的选择，但直接安装到一个板总是首选。

对于U外壳型PSU，PSU制造商通常会向设备提供与机板相连的所有相关接地连接，从而简化安装程序的任务。为了确保机板与外壳之间有良好的电气连接，必须使用几个安装点，使用导电螺钉，因为这也可将寄生元件降至最低。

 
图4：U外壳型电源的典型设计细节，详细说明固定件和连接件
 
用于电源供电和输出的电缆可以辐射并易受噪声影响。因此，必须将它们整齐地连接起来，以避免彼此以及PSU的任何开放性方面可以拾取开关噪声，从而将系统噪声增加到法律允许的水平以上。

与温度有关的注意事项
PSU可以提供的电量可能会有很大的变化，这取决于其放置环境、安装方式以及任何移动空气的可用性。因此，PSU制造商在几种情况下对其产品进行鉴定，对于裸板型和U外壳型PSU，通常提供自然对流和强制空气冷却的额定值。

每个应用程序和安装都是不同的，相同的PSU在不同的应用程序中的性能可能非常不同，因此必须对每个应用程序进行全面评估。安装人员需要考虑PSU的安装位置及其方向，以及周围的空间外壳，以及是否将PSU放置在强制气流中。最大负荷也是一个因素，附近的任何发热部件也是一个因素。

在系统原型制作过程中，应检查关键安全部件的温度，最好使用非侵入性方法，如红外温度计-热电偶可以充当散热器并影响测量。大多数制造商将确定几个关键部件，它们的位置和允许它们达到的最高温度（在任何操作条件下），这将确保不会超过安全额定值，并且不会对预期部件寿命造成不利影响。

由于裸板型和U外壳型PSU通常不包含风扇，因此主要的磨损机制是大型电解电容器。制造商通常在数据表中提供这些组件的使用寿命估计。

 
图5：显示24/7运行安全限值和估计使用寿命的表和图
 
这些估计值考虑了制造商在最大额定温度和PSU正常运行期间预期温度下电容器的设计寿命。
纹波电流等因素会影响电容器的使用寿命，但由于纹波电流难以量化，其影响通常被忽略。相反，使用阿累尼乌斯关系将寿命与工作温度联系起来。简单地说，阿累尼乌斯说，每升高10摄氏度，预期寿命就减半。这就清楚地说明了在PSU的工作寿命期间管理这些关键组件的温度的重要性。
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