Miten varmistaa optimaaliset tulokset avorunkoisia AC/DC-virtalähteitä käyttämällä

AC/DC-virtalähteitä – joita kutsutaan joskus verkkovirralle tarkoitetuiksi virtalähteiksi – käytetään laajalti valaistuksessa, näytöissä, tietotekniikassa ja teollisuussovelluksissa. Ne ovat vakiokomponentteja lähes kaikissa elektroniikkajärjestelmissä paristokäyttöisiä lukuun ottamatta.

Eräät virtalähdeversiot toimitetaan avorunkoisina yksikköinä sulautettavaksi OEM-järjestelmiin yksinkertaisina ja koteloimattomina piirilevyinä. Ne ovat riippuvaisia lopputuotteen pakkauksesta, joka muodostaa vaadittavan kokonaiskoteloinnin. Nämä virtalähteet toimivat laajalla vaihtovirtajännitealueella, ja niitä tarjotaan monenlaisina lähtöjännitteen, -virran ja -tehon yhdistelminä.

Vaikka ne ovat toiminnallisesti täydellisiä ja suhteellisen helppokäyttöisiä, on kuitenkin joitakin suunnitteluun liittyviä näkökohtia, jotka insinöörien on otettava huomioon niiden käytössä. Niihin kuuluvat:

• sähköturvallisuus / lakisääteiset vaatimukset
• lämmönhallinta ja tehonalennus
• sähkömagneettinen yhteensopivuus.

Tässä artikkelissa tarkastellaan näitä näkökohtia avorunkoisten XP Power -virtalähteiden ja konvektiojäähdytteisten 80 watin (W) virtalähteiden LCE80-tuoteperheen yhteydessä.

Virtalähteet: tehdä itse vai ostaa?

Aikaisemmin yksi ensimmäisistä kysymyksistä, joka liittyi tarpeeseen valita yksi näistä virtalähteistä, oli ”pitäisikö meidän tehdä itse vai ostaa”. Perustana kysymykselle on se, että yhden tai muutaman toimivan <100 W:n perusvirtalähteen suunnittelu ja rakentaminen ei ole ainakaan periaatteessa vaikeaa.

Käytännössä tilanne on kuitenkin paljon monimutkaisempi ja monitahoisempi vaatien suunnittelua ja rakennetta:

• joka toimii spesifikaatioiden mukaisesti kaikissa käyttöolosuhteissa, mukaan lukien korkea ja matala verkkojännite, transienttisuorituskyky ja lämpötila-alue
• jolla on tarvittavat suojausominaisuudet, kuten ylijännitesuojaus, alijännitelukitus ja lämpökatkaisimet
• joka ottaa huomioon ja täyttää lukuisat kompleksiset maailmanlaajuiset turvallisuutta, tehokkuutta ja lepovirtaa koskevat määräykset
• joka täyttää erilaiset isku- ja tärinävaatimukset
• sisältää suunnitelman suorituskyvyn testaamista, todentamista ja sertifiointia varten.

Todellisuudessa onnistuneen rakenteen suunnittelu kohtuullisessa ajassa ja hyväksyttävin kertaluonteisin (NRE) suunnittelu-, materiaaliluettelo-, tuotantopaikka-, testaus- ja hyväksyntäkustannuksin on äärimmäisen haastavaa jopa tällä alalla kokemusta omaavalle ammattitaitoiselle insinööriryhmälle.

Silloinkin, kun vaatimuksia ei voi täyttää perusyksiköllä, useimmat AC/DC-virtalähteiden toimittajat tarjoavat räätälöintipalveluita, joissa he muokkaavat perusvirtalähteen yksilöllisten vaatimuksien mukaisiksi ja täyttämään samalla monet tekniset ja lainsäädännölliset vaatimukset.

Aloita avorunkoisella toteutuksella

Avorunkoinen virtalähde on alan nimitys pelkkään piirilevyyn perustuvalle rakenteelle, joka toimii yksittäisenä valmiina komponenttina, kuten LCE80-tuoteperheen laitteet (kuva 1). Se asennetaan loppulaitesovellukseen, ja kyseinen lopputuote tarjoaa virtalähteelle sekä fyysisen että sähköisen suojakotelon. Avorunkoiset virtalähteet tarjoavat joustavuutta asennuksessa, erinomaisen suorituskyvyn sekä täyttävät lakisääteiset standardit ja määräykset. Ne ovat kustannustehokkaita ratkaisuja, joiden ansiosta suunnittelutiimi voi keskittyä enemmän muuhun järjestelmäsuunnitteluun ja sillä erottautumiseen.

Kuva 1: LCE80-sarjan 80 watin avorunkoisissa virtalähteissä kaikki tarvittavat komponentit on asennettu yhdelle piirilevylle. (Kuvan lähde: XP Power)

Avorunkoinen virtalähde ei ole sama kuin toinen laajalti käytetty AC/DC-virtalähde, jota kutsutaan U-kanavaksi ja jossa virtalähteen piirilevy on asennettu U-muotoiseen, yleensä alumiinista valmistettuun alustaan (kuva 2). Hyvä esimerkki on XP Powerin 100 watin VCS100US12-virtalähde. Alusta tarjoaa laitevalmistajalle myös lukuisia vaihtoehtoja virtalähteen asentamiseksi lopulliseen kokoonpanoon. Se sisältää usein irrotettavan kannen, joka tarjoaa sähköisen ja fyysisen suojan ja joka on rei'itetty ilmavirtausta varten.

Kuva 2: 100 watin U-kanava-virtalähteessä VCS100US12 on irrotettava suojakansi. (Kuvan lähde: XP Power)

Vaikka avorunkoinen syöttölaite on täysin kasattu ja käyttövalmis, sähköturvallisuuteen / lakisääteisiin vaatimuksiin, termiseen suorituskykyyn ja rajoihin sekä asennukseen ja sähkömagneettiseen yhteensopivuuteen (EMC) liittyvät näkökohdat on silti otettava huomioon.

Sähköturvallisuus / lakisääteisten vaatimuksien noudattaminen: Avorunkoisten virtalähteiden käyttäjien on oltava tietoisia ilmaväliä ja pintaväliä koskevista vaatimuksista. Ilmaväli on kahden sähköä johtavan osan välinen lyhin etäisyys ilmassa, kun taas pintaväli tarkoittaa kahden sähköä johtavan osan välistä lyhintä etäisyyttä kiinteän eristysmateriaalin pinnalla (kuva 3). Näiden kahden tekijän vaaditut minimiarvot riippuvat syöttöjännitteestä sekä käyttöolosuhteista, kuten odotettavissa olevista epäpuhtauksista (pöly, kosteus ja muut hiukkaset) suurjännitekohtia ympäröivässä ilmassa tai niiden välisellä pinnalla.

Kuva 3: Piirilevyrakenteiden on täytettävä vähimmäismitat ilmavälille, joka on kahden sähköä johtavan osan välinen lyhin etäisyys ilmassa, ja pintavälille, joka on kahden sähköä johtavan osan välinen lyhin etäisyys kiinteän eristysmateriaalin pinnalla. (Kuvan lähde: Altium Limited)

Virtalähteet jaetaan myös useisiin IEC-luokkiin loppusovelluksen perusteella:

• Luokka I: Käyttäjän suojaus sähköiskua vastaan saavutetaan eristyksen ja suojamaadoituksen yhdistelmällä
• Luokka II: Käyttäjän suojaus sähköiskua vastaan saavutetaan kahdella eristystasolla (joko kaksinkertainen tai vahvistettu)

Luokan I järjestelmä edellyttää kolmen tai neljän millimetrin (mm) väliä kaikkien maadoitettujen metalliosien ja virtalähteen primääriosien välillä sen mukaan, onko loppusovellus teollinen vai lääketieteellinen. Tämä saattaa vaatia lisäeristeitä avorunkoisen virtalähdekokoonpanon ympärille; luokan II virtalähteet saattavat tarvita suurempia ilma- ja pintavälejä.

Luokan I virtalähdettä käytettäessä virtalähteen suojamaadoitusliitäntä on olennainen osa sähköjärjestelmää, ja se on liitettävä luotettavasti laitteen suojamaadoitukseen. Lisäksi kokoonpanoon tarvitaan todennäköisesti useampi kuin yksi maadoitusliitäntä, mikä vaikuttaa sähköisiin päästöihin ja herkkyysominaisuuksiin (käsitellään jäljempänä).

Sekä avorunko- että U-kanavaisissa virtalähteissä on integroitu sulake; lääketieteellisissä laitteissa niihin tarvitaan kaksi sulaketta.

Sulakkeet on yleensä asennettu pysyvästi virtalähteeseen, eikä niitä ole suunniteltu vaihdettavaksi kentällä. Tämä johtuu siitä, että ainoa syy sulakkeen aktivoitumiseen (avautumiseen) on virtalähteen vikaantuminen, jolloin virtalähde on korjattava tai vaihdettava ennen kuin järjestelmän käyttöä voidaan jatkaa. Voi olla myös lisävaatimuksia koko järjestelmän laajuisista sulakkeista, jotka suojaavat ongelmilta liitäntäkaapeleiden ja -liitäntöjen sekä muiden virtalähteeseen liittymättömien piirien kanssa.

Lämmönhallinta ja tehonalennus: Lämpö on tunnetusti tärkeä tekijä kaikissa elektroniikkajärjestelmissä, sillä se on ensisijainen syy komponenttien väsymisen ja rasituksen aiheuttamiin vikoihin, mukaan lukien lämpötilavaihteluiden aiheuttamiin halkeamiin. Virtalähteen erityisistä jännite- ja virtaluokituksista riippumatta suunnittelijoiden ensisijainen huomio kohdistuu virtalähteen tuottamaan kokonaistehoon watteina.

Valmistajat suunnittelevat virtalähteiden tuoteperheen tiettyä enimmäisteholuokitusta varten ja määrittävät sitten jännite- ja virtaparit sen mukaisiksi. Esimerkiksi kaikki XP Power LCE80 -sarjan yksiköt on luokiteltu 80 W:n teholle, ja jännitteeltään alhaisin yksikkö LCE80PS05 tuottaa 5 volttia jopa 12 A:n sähkövirralla, kun taas jännitteeltään korkeampi yksikkö LCE80PS54 tuottaa 54 volttia jopa 1,48 A:n sähkövirralla. Niiden välissä on kahdeksan muuta DC-lähtövaihtoehtoa, jotka ovat 12 volttia, 15 volttia, 20 volttia, 24 volttia, 30 volttia, 36 volttia, 42 volttia ja 48 volttia.

Virtalähteet toimivat tulojännitealueella 90–305 V (AC), ja täysi kuormitusteho on käytettävissä jopa alhaisella 90 voltin jännitteellä. Hyötysuhde on hyvin lähellä 90 prosenttia, mikä tarkoittaa, että virtalähteen häviö on vain 8 wattia; loput 72 W on käytettävissä järjestelmän tarpeisiin. Kaikkien tuoteperheen jäsenten mitat ovat 101,6 mm × 50,8 mm × 27,9 mm. Käyttölämpötila-alue on -40 ...+70 °C, ja täysi teho on käytettävissä välillä -30 °C (-40 °C korkealla AC-jännitteellä) ... +50 °C. Laskettu keskimääräinen vikaantumisaika (MTBF) on 300 kilotuntia MIL-HDBK-217F-standardin mukaan.

Kaikki sarjaan kuuluvat yksiköt täyttävät lukuisia tärkeitä lakisääteisiä standardeja, mukaan lukien (mutta niihin rajoittumatta) seuraavat: EN55032 luokka B – johdetut emissiot ja säteilyemissiot; EN55035, EN61547 ja EN61000-4-2/3/4/5/6/8/11 koskien EMC-immuniteettia; EN61000-3-2 harmoninen virta, luokka C 50 W:n kuormitukselle ja sitä suuremmille tehoille. Turvallisuushyväksyntöihin kuuluvat CB IEC62368-1 (ITE), IEC60950-1 (ITE), UL62368-1 (ITE), TUV EN62368-1 (ITE), EN61347 (valaistus) ja UL8750 (valaistus).

Hyötysuhde on tärkeä tekijä jokaisessa virtalähteessä, sillä se määrittää, miten syntynyttä lämpöä hallitaan. Avorunkoisia virtalähteitä voidaan jäähdyttää passiivisella konvektiolla, aktiivisella ilmanjäähdytyksellä (tuulettimella) tai näiden yhdistelmällä. Monet suunnittelijat suosivat virtalähteitä, jotka on spesifioitu toimimaan luokitustensa mukaan pelkällä passiivisella ilmajäähdytyksellä ilman tuuletinta, muun muassa seuraavista syistä:

• Se tuo suoria BOM-kustannussäästöjä ja lyhentää tuotteen kokoonpanoaikaa.
• Potentiaalinen vianlähde – tuuletin – jää pois. Sen vikaantuminen aiheuttaisi ylikuumenemista ja lyhentäisi huomattavasti virtalähteen käyttöikää.
• Näin vältetään tuulettimen nopeuden ja toiminnan hallintaan liittyvät ongelmat, jotka perustuvat yleensä ympäristön lämpötilan mittaamiseen.
• Se on selvästi hiljaisempi, mikä on tärkeä tekijä monissa tilanteissa.
• Näin vältetään se vaara, että loppukäyttäjä aiheuttaisi tahattomasti ylikuumenemisongelmia tukkimalla tuulettimen tulo- tai poistoaukon.

Lyhyesti sanottuna tuulettimesta luopuminen parantaa merkittävästi koko järjestelmän luotettavuutta, yksinkertaistaa mekaanista suunnittelua ja laskee kustannuksia. Tuulettimesta luopuminen edellyttää, että suunnittelijoiden on tarkistettava virtalähteen teknisistä tiedoista tarvitaanko ilmajäähdytystä ilmoitettujen spesifikaatioiden täyttämiseksi vai riittääkö pelkkä passiivinen konvektio.

Tällöin on selvitettävä myös enimmäislämpötila, jossa toimittaja takaa kaikkien spesifikaatioiden mukaisen suorituskyvyn, sekä tehonalennuskäyrä, joka määrittelee kuinka paljon lähtöteho laskee tietyn kynnyslämpötilan ylittyessä. Hyvin suunniteltu virtalähde säilyttää nimellistehon myös ympäristölämpötilan noustessa arvoon 50 ⁰C sekä tulojännitteen laskiessa arvoon 90 V (AC). Sitä vastoin jotkin tuotteet mainostavat ”huipputeholuokitusta”, mutta niiden teho laskee nopeasti jopa 20 % alhaisella AC-jännitteellä ja käytettävissä oleva teho alenee jopa jo ympäristölämpötilan noustessa arvoon 40 ⁰C. LCE80-sarjassa täysi suorituskyky taataan lämpötilaan 50 ⁰C asti, ja teho alenee lineaarisesti 50 prosenttiin enimmäislämpötilassa 70 ⁰C (kuva 4).

Kuva 4: Tämä LCE80-sarjan tehonalennuskäyrä osoittaa, että nämä virtalähteet säilyttävät 80 W:n teholuokituksensa lämpötilaan 50 ⁰C asti, ja teho alenee sitten 50 prosenttia 40 wattiin maksimikäyttölämpötilassa 70 ⁰C. (Kuvan lähde: XP Power)

Asennuspaikka, suuntaus, ympärillä oleva tila, kuormitus ja ympäröivät osat sekä mahdollinen ilmajäähdytys ovat yksilöllisiä tekijöitä jokaisessa sovelluksessa. On tärkeää mallintaa ja mitata lämpötila avorunkoisessa virtalähteessä eikä jossain muussa kohdassa järjestelmän koteloa, koska kotelossa voi esiintyä merkittäviä erittäin paikallisia vaihteluita.

Kriittinen tekijä virtalähteen arvioidun käyttöiän määrittämisessä on elinikäkäyrä, joka perustuu keskeisten elektrolyyttikondensaattoreiden lämpötilaan, sillä ne ovat ainoat osat, jotka kuluvat mekaanisesti. Kaikki elektrolyyttikondensaattoreiden elinikää koskevat laskelmat perustuvat Arrheniuksen yhtälöön, jossa reaktionopeus kaksinkertaistuu – ja siten elinikä puolittuu – aina kun lämpötila nousee kymmenen celsiusastetta (kuva 5). Hyvä lähtökohta käyttöiän määrittämiseen on mitata lämpötila komponentin kotelossa ja käyttää Arrheniuksen yhtälöä spesifioidun lämpötilan ja halutun käyttöiän mukaan.

Kuva 5: Kahden tavallisen elektrolyyttikondensaattorin tehonalennuskuvaajat lämmön funktiona. Kuvaajat osoittavat kondensaattorien käyttöiän puolittuvan jokaista 10 ⁰C:n lämpötilanousua kohti Arrheniuksen yhtälön mukaisesti (oikealla). (Kuvan lähde: XP Power)

Sähkömagneettiseen yhteensopivuuteen liittyvät ongelmat: Avorunkoiset virtalähteet vaativat yleensä kaksi ja joskus kolme asennuspistettä, jotka on liitettävä maadoitukseen standardien vaatimusten mukaan. Luokan I järjestelmässä yhden näistä liitännöistä on oltava suojamaadoitus, ja sen on sijaittava kokoonpanon tulopuolella. Tähän liitäntään kytketään myös vaiheen ja maan väliset sekä nollan ja maan väliset yhteismuotoiset suodatinkondensaattorit, joita kutsutaan myös Y-kondensaattoreiksi (kuva 6).

Kuva 6: Y-kondensaattorit toimivat yhteismuotosuodattimena, ja niitä käytetään virtalähteen tulopuolella yhdistämään vaihe ja nolla maahan. (Kuvan lähde: www.blogranya.blogspot.com)

Nämä kondensaattorit toimivat virtalähteen yhteismuotoinduktoreiden kanssa vaimentaakseen kohinaa, jota aiheuttavat jännitteen nopeat muutokset virtalähteen tehoasteessa. Nämä yhteismuotokondensaattorit ovat tärkeitä virtalähteen EMC-suorituskyvyn kannalta, ja ne täytyy kytkeä optimaalisen EMC-suorituskyvyn saavuttamiseksi.

On tärkeää kytkeä nämä kolme pistettä yhteen, jotta voidaan varmistaa se, että avorunkoinen virtalähde täyttää EMC-vaatimukset. Pisteet, jotka on kytkettävä maahan tai yhteen, on yleensä yksilöity virtalähteen teknisissä tiedoissa. Paras tapa kytkeä nämä pisteet on asentaa virtalähde maadoitetulle metallilevylle (kuva 7).

Kuva 7: Piirustukseen maadoitussymbolilla merkityt asennusreiät on liitettävä suojamaadoitukseen luokan I sovelluksissa tai kytkettävä toisiinsa luokan II sovelluksissa. (Kuvan lähde: XP Power)

Tätä levyä ei tarvitse kytkeä mihinkään muuhun, koska sen tehtävänä on tarjota vähän loiselementtejä sisältävä matalaimpedanssinen polku suodatinkondensaattorin kytkennöille maadoitukseen. Maadoitussymbolilla merkityt asennusreiät on liitettävä suojamaadoitukseen luokan I sovelluksissa tai kytkettävä toisiinsa luokan II sovelluksissa.

Yleisenä ohjeena on, että kaikki virtalähteen tulo- ja lähtökaapelit on pidettävä erillään toisistaan eikä niitä saa viedä avoimen kokoonpanon lähelle. Näin minimoidaan sellaiset potentiaaliset ongelmat, että virtalähteessä syntyvä sähkömagneettinen säteily aiheuttaisi johdettuja ja säteiltyjä häiriöitä loppulaitteisiin.

Yhteenveto

Suunnittelijat voivat lyhentää ja tehostaa suunnitteluprosessia keskittymällä yhteen ainoaan avorunkoisten virtalähteiden tuoteperheeseen, joka tarjoaa eri jännite- ja virtaluokituksia kaikkien muiden tekijöiden pysyessä muuttumattomina. Tämä yksinkertaistaa asennusta, maadoitusta, EMC- ja lämpöanalyysejä, tehonalennusarviointia, suorituskykylaskelmia, fyysisiä liitäntöjä ja kaapelointia.