Täytä kansainväliset standardit kustannustehokkaasti piirilevylle asennettavilla AC/DC-virtalähteillä

Piirilevylle asennettavia 3–20 watin AC/DC-virtalähteitä käytetään yhä useammissa sovelluksissa, kuten esineiden internetissä (Internet of Things, IoT) ja teollisessa esineiden internetissä (Industrial IoT, IIoT), teollisuus 4.0 -aloitteessa, teollisuusautomaatiossa, audiovisuaalisissa laitteissa, tietotekniikkalaitteissa (ITE), älytaloissa/rakennuksissa, kodinkoneissa ja kuluttajalaitteissa. Vaikka voi olla houkuttelevaa yrittää suunnitella pienitehoisia AC/DC-virtalähteitä, prosessi on monimutkaisempi ja aikaa vievämpi kuin miltä se ensi silmäyksellä näyttää. Suunnitelmien on täytettävä haastavat suorituskykyvaatimukset, kuten laajat syöttöjännitealueet, huipputehot ja korkeat tehotiheydet. Ne on myös sertifioitava useiden kansainvälisten turvallisuus-, tehokkuus-, valmiustilan virrankulutusta ja sähkömagneettista yhteensopivuutta (EMC) koskevien standardien mukaisesti.

Tämän sijasta suunnittelijat voivat käyttää kompakteja piirilevylle asennettavia AC/DC-virtalähteitä, jotka on sertifioitu kaikkien asiaankuuluvien kansainvälisten suorituskykystandardien mukaisesti. Tämä nopeuttaa markkinoilletuontiaikaa. Näissä tehokkaissa virtalähteissä on laajat syöttöjännitealueet, ja niihin voidaan kytkeä vaihto- tai tasavirtatuloja, mikä parantaa joustavuutta ja maailmanlaajuista käytettävyyttä.

Tässä artikkelissa tarkastellaan lyhyesti AC/DC-virtalähdesovelluksiin liittyviä yleisiä näkökohtia. Se tarjoaa sen jälkeen esimerkit kolmesta RECOM Power RACxx-K -sarjan piirilevylle asennettavasta AC/DC-tehomuunnosvaihtoehdosta sekä esittelee yksittäisten tuotteiden tärkeimmät ominaisuudet ja edut sekä niiden käyttötavat.

AC-DC-muunninkombinaatiot

AC/DC-virtalähteet voidaan kytkeä sarjaan tai rinnakkain korkeampien tehotasojen tai redundantin hot-swap-toiminnon mahdollistamiseksi (kuva 1).

Kuva 1: Kaksi AC/DC-muunninta voidaan kytkeä sarjaan haluttaessa korkeampaa jännitettä (ylhäällä) tai rinnakkain haluttaessa korkeampaa virtaa ja/tai redundanssia (alhaalla). (Kuvan lähde: RECOM Power)

Rinnakkain kytkettyjä virtalähteitä (alempi konfiguraatio kuvassa 1) voidaan käyttää korkeampien virtojen tai redundanssin tarjoaman korkeamman luotettavuuden saavuttamiseksi. Suuremmat virrat ovat mahdollisia, kun molempia virtalähteitä käytetään niiden täydellä nimellislähtövirralla tai lähellä sitä. Lähtöjännite ei muutu, mutta käytettävissä oleva virta kasvaa, mikä lisää antotehoa.

Redundanteissa virtakonfiguraatioissa käytetään useita virtalähteitä järjestelmän luotettavuuden lisäämiseksi, ei käytettävissä olevan tehotason kasvattamiseen. On lukuisia erilaisia redundanssikonfiguraatioita. Yhdessä topologiassa järjestelmä on konfiguroitu käyttämään virtaa vain ”ensisijaisesta” virtalähteestä normaalin toiminnan aikana ja vaihtamaan automaattisesti ”varavirtalähteeseen”, jos ensisijainen virtalähde vikaantuu.

N+1-redundanssi on toinen yleinen topologia, jolla lisätään virtalähteen luotettavuutta. N+1-järjestelmä koostuu kahdesta tai useammasta virtalähteestä. Kuvan 1 alempaa konfiguraatiota voidaan käyttää redundanttina arkkitehtuurina, jossa ”N” = 1. Tässä tapauksessa kumpikin virtalähde toimii normaalissa käytössä 50 %:n kapasiteetilla, ja kumpikin voi tarjota täyden kuormitustehon, jos toinen niistä vikaantuu.

Sen sijaan, että virtalähteet kytketään rinnakkain käytettävissä olevan tehon lisäämiseksi, tehoa voidaan lisätä myös kytkemällä virtalähteet sarjaan (kuvan 1 ylempi konfiguraatio). Tässä esimerkissä molemmilla virtalähteillä on sama lähtöjännite V_O, ja sarjakonfiguraatio tarjoaa 2V_O. Koska kuormaan syötettävä virta ei muutu, jännitteen kaksinkertaistaminen kaksinkertaistaa tehon.

Molemmissa kuvassa 1 esitetyissä konfiguraatioissa käytetään ORing-diodeja virtalähteiden lähtöjen eristämiseksi. Jos toinen virtalähteistä vikaantuu, ORing-diodit suojaavat järjestelmää katastrofaalisilta vioilta. ORing-diodin nimellisvirran on oltava suurempi kuin virtalähteen nimellislähtövirta ja sen nimellisläpilyöntijännitteen on oltava suurempi kuin virtalähteen lähtöjännite.

AC/DC-tuloa koskevia pohdintoja

Vaikka kahden tai useamman AC/DC-virtalähteen lähdöt voidaan liittää toisiinsa useilla eri tavoilla lisätoimintojen aikaansaamiseksi, kahden AC/DC-muuntimen tuloja ei ole mahdollista liittää toisiinsa tulojännitealueen laajentamiseksi. Tästä syystä laajatuloiset (tai yleistuloiset) AC/DC-virtalähteet ovat yhä suositumpia. Myös sulakesuojaus on tärkeä näkökohta AC/DC-virransyötön tuloissa (kuva 2).

Kuva 2: Yleensä käytetään yhtä tulosulaketta (ylhäällä), mutta jos tulo ei ole polarisoitu, sulakkeet voidaan sijoittaa molempiin tulojohtoihin (alhaalla). (Kuvan lähde: RECOM Power)

Sulakkeiksi suositellaan tavallisesti aikaviivesulakkeita (kutsutaan myös hitaasti laukeaviksi sulakkeiksi). Sulakkeet voidaan liittää molempiin tulojohtoihin, jos vaihtovirtatulo ei ole polarisoitu. Yksivaiheisten AC/DC-virtalähteiden tyypilliset sulakekokosuositukset ovat 1,5 ampeeria (A) alle 40 watin tehoille, 2 A yli 40 watin mutta alle 60 watin tehoille ja 3 A vähintään 60 watin tehoille.

Jos AC/DC-virtalähteessä on maadoitusnasta (FG), se on maadoitettava turvamaadoituspisteeseen. -V_OUT-lähtöjännite voidaan kytkeä FG-maadoitusnastaan, jolloin +V_OUT-lähdön referenssinä toimii maataso. Suunnittelijoiden tulisi käyttää lyhyitä ja paksuja kytkentöjä. Tämä parantaa yhteyksien laatua ja vähentää sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) (kuva 3).

Kuva 3: Lähtöjännite voidaan kytkeä maadoitukseen, jolloin maa toimii lähdön referenssitasona. (Kuvan lähde: RECOM Power)

3 wattia IoT-, IIoT- ja kotitaloussovelluksiin

RECOM tarjoaa 3 watin tehoa tarvitsevien IoT-, IIoT- ja kotitaloussovellusten suunnittelijoille AC/DC-virtalähteen RAC03E-K/277, joka tarjoaa yhden tarkkaan säädellyn 12 voltin DC-lähdön (muita malleja on saatavana 3,3–24 voltin DC-lähdöillä). Nämä kansainvälisesti sertifioidut virtalähteet tarjoavat parannetun laajan tulojännitealueen 85–305 VAC tai 120–430 VDC ja ne täyttävät valmiustilan virrankulutusta koskevat ErP-vaatimukset. RAC03E-K/277-sarjan käyttölämpötila-alue on laaja ja se tarjoaa täyden lähtötehon lämpötila-alueella -30 °C ... +75 °C (poikkeuksena yksiköt 3,3 voltin lähdöllä, jotka tarjoavat täyden tehon lämpötilaan +70 °C saakka) luonnollisella konvektiojäähdytyksellä (kuva 4).

Kuva 4: RAC03E-K/277 -sarjan laitteilla on laaja käyttölämpötila-alue, ja ne tarjoavat täyden lähtötehon lämpötila-alueella -30 °C ... +75 °C (poikkeuksena yksiköt 3,3 voltin lähdöllä, jotka tarjoavat täyden tehon lämpötilaan +70 °C saakka). (Kuvan lähde: RECOM Power)

Näiden virtalähteiden tilantarve on 1,45 tuumaa x 0,95 tuumaa ja niiden profiili on matala, 15,4 millimetriä (mm). Ne soveltuvat maailmanlaajuisiin sovelluksiin laitteen tarjoaman tulon ja lähdön välisen 4 kV:n (AC) erotuksen ansiosta ja ne täyttävät seuraavat standardit:

• Sertifiointi UL/IEC/EN62368
• Sertifiointi CAN/CSA C22.2 nro 62368-1
• EN60335-1 (vireillä)
• EN62233 (vireillä)
• IEC/EN61558-1/2-16 (vireillä)
• EN55032:n/EN55035:n mukainen.

10 wattia prosessiautomaatiota ja älykkäitä rakennuksia varten

10-wattisen 5 voltin DC-lähdöllä varustetun AC/DC-virtalähteen RAC10-05SK/277 140 %:n huipputehokapasiteetti tukee induktiivisia, suuria käynnistysvirtoja sekä epälineaarisia kuormia käyttävien järjestelmien, kuten prosessiautomaatio- ja älykkäiden rakennussovellusten, transienttitehotarpeita (kuva 5). Näillä piirilevylle asennettavilla AC/DC-virtalähteillä on kansainväliset turvallisuussertifioinnit sekä teollisuus- että kotitalousstandardeja varten.

Kuva 5: 10 watin AC/DC-virtalähteillä RAC10-05SK/277 on kansainväliset turvallisuussertifioinnit sekä teollisuus- että kotitalousstandardien mukaisesti. (Kuvan lähde: RECOM Power)

10 watin malleja on saatavana yhdellä lähtöjännitteellä 3,3–24 voltin alueella (DC) tai kahden lähdön versioina, jotka tarjoavat ±12 tai ±15 V (DC). Nämä virtalähteet täyttävät standardin IEC62477-1 ylijänniteluokan III (OVC III) vaatimukset kiinteissä asennuksissa käytettäviä teollisuusjärjestelmiä varten sekä tapauksissa, joissa laitteiden luotettavuudelle ja käytettävyydelle asetetaan erityisvaatimuksia. Näissä järjestelmissä virtalähteillä on yleensä kiinteä, suoraan johdotettu yhteys AC-jakotauluun. Kuten edellä mainitussa 3 watin RAC03E-K/277-mallissa, näissä AC/DC-virtalähteissä on erittäin laaja syöttöjännitealue 85–305 volttia (AC) tai 120–430 volttia (DC).

20 watin virtalähteet, joissa on erittäin alhainen virrankulutus kun kuormitus on nolla

IoT- ja älylaitteiden suunnittelijat voivat hyötyä 20 watin RAC20-K-sarjan AC/DC-moduulien käytöstä. Esimerkiksi RAC20-48SK-versio tuottaa 48 voltin DC-lähdön vain 40 milliwatin (mW) tehonkulutuksella ilman kuormitusta aina päällä- ja valmiustilassa. Nämä virtalähteet noudattavat ErP Lot 6 -valmiustilavaatimuksia. Niitä on saatavana laajalla 85–264 voltin AC-tuloalueella ja valinnaisella erittäin laajalla 85–305 voltin AC-tuloalueella tai 120–370 voltin DC-alueella. Näiden virtalähteiden muunnetut versiot täyttävät IEC62477-1:n mukaisen virtalähteen OVC III -vaatimukset. Näitä piirilevylle asennettavia virtalähteitä on saatavana yhdellä lähtöjännitteellä 5–48 volttia (DC) tai kahden lähdön versioina, ±12 tai ±15 V (DC). Nämä virtalähteet tarjoavat korkean hyötysuhteen kevyestä kuormituksesta täyteen kuormitukseen, kuten 5 voltin RAC20-05SK-version kuvaaja osoittaa (kuva 6).

Kuva 6: RAC20-05SK-piirin (malli 5 voltin lähdöllä) hyötysuhde suhteessa lähtökuormitukseen osoittaa korkean hyötysuhteen kevyestä kuormituksesta täyteen kuormitukseen. (Kuvan lähde: RECOM Power)

AC/DC-virtalähde RAC20-48SK täyttää standardin EN 55022 luokan B johdettuja emissioita koskevat vaatimukset ilman lisäsuodatusta. Niiden käyttölämpötila-alue on -40 °C ... +85 °C ja niillä on kansainväliset turvallisuussertifikaatit teollisuus-, audiovisuaalisia ja tietotekniikkalaitteita varten, mukaan lukien (* = vireillä malleille erittäin leveällä tulolla):

• Sertifiointi IEC/EN62368
• Sertifiointi UL62368-1
• Sertifiointi CAN/CSA-C22.2 nro 62368-1-14
• Sertifiointi IEC/EN60335*
• Sertifiointi IEC/EN61558-1*
• Sertifiointi IEC/EN61558-2-16*
• IEC/EN61204-3:n mukainen*
• EN55032/14:n mukainen*
• EN55024:n mukainen*.

Kaksi lähtöä yhdestä lähdöstä

Kuten edellä todettiin, 3 watin RAC03E-K/277 on saatavana vain yhden lähdön versiona. 10 watin virtalähde RAC10-05SK/277 ja 20 watin RAC20-48SK on saatavana yksi- ja kaksilähtöisinä. Kaksilähtöiset kokoonpanot on kuitenkin rajoitettu jännitteisiin ±12 tai ±15 volttia (DC). Joissakin sovelluksissa voidaan tarvita erilainen lähtöjänniteyhdistelmä. Näissä tapauksissa suunnittelijat voivat yhdistää yksilähtöisen AC/DC-virtalähteen pienitehoisemman DC/DC-muuntimen tai hakkuriregulaattorin kanssa ylimääräisen lähtöjännitteen tai negatiivisen lähtöjännitetason tuottamiseksi (kuva 7).

Kuva 7: Hakkuriregulaattori (R-78xx, ylhäällä) tai DC/DC-muunnin (alhaalla) voidaan kytkeä AC/DC-virtalähteeseen ylimääräisen lähtöjännitteen (ylhäällä) tai negatiivisen lähtöjännitetason (alhaalla) tuottamiseksi. (Kuvan lähde: RECOM Power)

Lisää EMI-suodatuksesta

Kaikissa tässä artikkelissa käsitellyissä RECOM RAC -sarjan AC/DC-virtalähteissä on sisäänrakennettu linjasuodatin, joka täyttää standardin EN 55022 luokan B johdettuja emissioita koskevat vaatimukset. Vaativammissa sovelluksissa voidaan tarvita lisäsuodatusta. Kun järjestelmään lisätään ulkoinen suodatin, on käytettävä keskitettyä tähti-maadoitusjohtotopologiaa, ja ulkoisen suodattimen ja muuntimen välisen kaapelin tulee olla mahdollisimman lyhyt (kuva 8).

Kuva 8: RECOM RAC -sarjan AC/DC-virtalähteet täyttävät standardin EN 55022 luokan B johdettuja emissioita koskevat vaatimukset. Ulkoinen suodatin voidaan asentaa tarvittaessa. (Kuvan lähde: RECOM Power)

Yhteenveto

Pienitehoisten, piirilevyille asennettavien AC/DC-virtalaitteiden tarve kasvaa jatkuvasti, mutta ne ovat edelleen kompleksisia järjestelmiä. Jos suunnittelija ei ole perehtynyt virtalähteiden suunnittelun, testauksen ja määräystenmukaisuuden hienouksiin, niiden suunnittelu tyhjästä voi viedä paljon aikaa, aiheuttaa lisäkustannuksia, viivästyttää suunnitteluaikatauluja ja viedä enemmän piirilevytilaa kuin on tarpeen.

Monissa tapauksissa parempi vaihtoehto on tehdä valinta useista valmiista, pienikokoisista, piirilevylle asennettavista AC/DC-virtalähteistä. Kuten edellä on esitetty, niitä on saatavana useilla eri tulojännitealueilla, ja niihin voidaan kytkeä joko AC- tai DC-tuloja. Lisäksi ne on todennäköisesti jo sertifioitu kaikkien asiaankuuluvien kansainvälisten suorituskykystandardien ja vaatimustenmukaisuusmääräysten mukaisesti.

Suositeltavaa luettavaa

1. A Opas IoT- ja IIoT-virtalähteiden valintaan ja käyttöön