Op kosteneffectieve wijze voldoen aan internationale normen met op printplaten gemonteerde AC/DC-voedingen

Op printplaten gemonteerde AC/DC-voedingen van 3 tot 20 watt worden gebruikt in een groeiend aantal toepassingen, waaronder Internet of Things (IoT) en Industrial IoT (IIoT), Industry 4.0, industriële automatisering, audio-visuele apparatuur, IT-apparatuur (ITE), slimme huizen/gebouwen, witgoed en consumentenapparatuur. Hoewel het verleidelijk kan zijn om te proberen lage-wattage AC/DC voedingen te ontwerpen, is het proces complexer en tijdrovender dan het op het eerste gezicht lijkt. Ontwerpen moeten voldoen aan uitdagende prestatie-eisen, zoals een breed bereik van de ingangsspanning, piekvermogensafgifte en een hoge vermogensdichtheid. Zij moeten ook worden gecertificeerd volgens talrijke internationale normen voor veiligheid, efficiëntie, standby-vermogen en elektromagnetische compatibiliteit (EMC).

In plaats daarvan kunnen ontwerpers compacte, op printplaten gemonteerde AC/DC-voedingen gebruiken die gecertificeerd zijn volgens alle relevante internationale prestatienormen, waardoor ze sneller op de markt kunnen worden gebracht. Deze efficiënte voedingen hebben een breed ingangsspanningsbereik en kunnen zowel AC- als DC-ingangen accepteren voor flexibiliteit en wereldwijde compatibiliteit.

In dit artikel wordt kort ingegaan op algemene overwegingen voor de toepassing van AC/DC-voedingen. Vervolgens worden voorbeelden gegeven van drie op printplaten gemonteerde AC/DC-vermogensconversieopties uit de RACxx-K-serie van RECOM Power, waarbij de belangrijkste kenmerken en voordelen van specifieke producten en de toepassing ervan worden geïdentificeerd.

Combinaties van AC/DC-convertors

AC/DC-voedingen kunnen in serie of parallel worden geschakeld voor hogere vermogensniveaus of redundante hot-swap werking (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Twee AC/DC-convertors kunnen in serie worden geschakeld voor een hogere spanning (boven) of in parallel voor een hogere stroom en/of redundante werking (onder). (Bron afbeelding: RECOM Power)

Parallel geschakelde voedingen (de onderste configuratie in Afbeelding 1) kunnen worden gebruikt om hogere stromen of een hogere betrouwbaarheid te bieden door redundantie. Hogere stromen zijn mogelijk wanneer beide voedingen worden gebruikt op of nabij hun nominale uitgangsstroom. De uitgangsspanning verandert niet, maar de beschikbare stroom wordt verhoogd, waardoor het uitgangsvermogen toeneemt.

Redundante stroomconfiguraties gebruiken meerdere voedingen om de betrouwbaarheid van het systeem te verhogen, niet om het beschikbare stroomniveau te verhogen. Redundante configuraties kunnen verschillende vormen aannemen. In één topologie is het systeem geconfigureerd om tijdens normaal bedrijf alleen stroom te betrekken van de "primaire" stroomvoorziening en automatisch over te schakelen op de "backup"-stroomvoorziening wanneer de primaire stroomvoorziening uitvalt.

N+1 redundantie is een andere veelgebruikte topologie om de betrouwbaarheid van de stroomvoorziening te verhogen. Een N+1 systeem bestaat uit twee of meer voedingen. In figuur 1 kan de onderste configuratie worden gebruikt als een redundante architectuur met "N" = 1. In dit geval werkt elk van de voedingen tijdens normaal bedrijf op 50% van de capaciteit, en kan elk van de voedingen het volledige belastingsvermogen leveren mocht de andere voeding uitvallen.

In plaats van voedingen parallel te schakelen om het beschikbare vermogen te verhogen, kan het ook worden verhoogd door voedingen in serie te schakelen (bovenste configuratie in Afbeelding 1). In dit voorbeeld hebben beide voedingen dezelfde uitgangsspanning,V_O, en levert de serie-configuratie 2V_O. Aangezien de stroom die aan de belasting wordt geleverd niet verandert, verdubbelt een verdubbeling van de spanning het effectieve vermogen.

Beide configuraties in Afbeelding 1 omvatten OR-dioden om de uitgangen van de voedingen te isoleren. Als een van de voedingen uitvalt, beschermen de ORing-dioden het systeem tegen een catastrofale uitval. De stroomsterkte van de ORing-diode moet groter zijn dan de uitgangsstroomsterkte van de voeding en de doorslagspanning moet groter zijn dan de uitgangsspanning van de voeding.

Overwegingen bij AC/DC-invoer

Hoewel er verschillende manieren zijn om de uitgangen van twee of meer AC/DC-voedingen met elkaar te verbinden voor extra functionaliteit, is het niet mogelijk om de ingangen van twee AC/DC-convertors met elkaar te verbinden om het bereik van de ingangsspanning te vergroten. Daarom worden AC/DC-voedingen met brede input (ook universele input genoemd) steeds populairder. Zekering is ook een belangrijke overweging voor AC/DC-voedingsingangen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Gewoonlijk wordt een enkele ingangszekering gebruikt (boven), maar als de ingang niet gepolariseerd is, kunnen zekeringen in beide ingangslijnen worden geplaatst (onder). (Bron afbeelding: RECOM Power)

Het gebruik van vertraagde zekeringen wordt algemeen aanbevolen. Zekeringen kunnen op beide ingangslijnen worden aangesloten als de AC-ingang niet gepolariseerd is. Typische aanbevelingen voor de zekeringgrootte voor eenfase AC/DC-voedingen zijn 1,5 ampère (A) voor vermogens van minder dan 40 watt, 2 A voor vermogens van meer dan 40 watt maar minder dan 60 watt, en 3 A voor vermogens van 60 watt of meer.

Als de AC/DC-voeding een aardingspen (FG) heeft, moet deze worden geaard aan een veiligheidsaardingspunt. De -V_OUT-uitgangsspanning kan worden verbonden met FG, waarbij de +V_OUT-uitgang aan massa wordt gerefereerd. Ontwerpers moeten korte, dikke interconnectors specificeren om solide verbindingen te garanderen en elektromagnetische interferentie (EMI) verder te beperken (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De uitgangsspanning kan met de aarde worden verbonden om de uitgang naar de aarde te verwijzen. (Bron afbeelding: RECOM Power)

3 watt voor IoT, IIoT en huishoudelijke toepassingen

Voor ontwerpers van IoT, IIoT en huishoudelijke toepassingen die 3 watt vermogen nodig hebben, biedt RECOM de RAC03E-K/277 AC/DC-voeding die een enkele, strak gereguleerde 12 volt DC-uitgang levert (andere modellen zijn beschikbaar met uitgangen van 3,3 tot 24 volt DC). Deze internationaal gecertificeerde voedingen hebben een verbeterd breed ingangsspanningsbereik van 85 tot 305 volt AC of 120 tot 430 volt DC en voldoen aan de ErP standby power vereisten. De RAC03E-K/277 serie heeft een breed bedrijfstemperatuurbereik, waarbij het volledige uitgangsvermogen wordt geleverd van -30 tot +75 °C (behalve voor 3,3-volt uitgangseenheden die het volledige vermogen leveren tot +70 °C) onder natuurlijke convectiekoeling (Afbeelding 4).

Figuur 4: De apparaten van de RAC03E-K/277 serie hebben een breed bedrijfstemperatuurbereik, ze leveren vol uitgangsvermogen van -30 tot +75°C (behalve de 3,3 volt uitgangseenheden die vol vermogen leveren tot +70 °C). (Bron afbeelding: RECOM Power)

Deze voedingen hebben een voetafdruk van 1,45 inch bij 0,95 inch en een laag profiel van 15,4 millimeter (mm). Door hun 4 kV AC in-/uitgangsisolatie zijn ze geschikt voor wereldwijde toepassingen en voldoen ze aan de volgende normen:

• UL/IEC/EN62368-1 gecertificeerd
• CAN/CSA C22.2 Nr. 62368-1 gecertificeerd
• EN60335-1 (in afwachting)
• EN62233 (in afwachting)
• IEC/EN61558-1/2-16 (in afwachting)
• Voldoet aan EN55032/EN55035

10 watt voor procesautomatisering en slimme gebouwen

Het 140% piekvermogen van de 10-watt RAC10-05SK/277 AC/DC-voeding met 5 volt gelijkstroomuitgang komt tegemoet aan de transiënte vermogensbehoeften van systemen met inductieve, hoge opstartstroom of niet-lineaire belastingen, zoals toepassingen voor procesautomatisering en slimme gebouwen (Afbeelding 5). Deze op printplaten (pc-board) gemonteerde AC/DC-voedingen hebben internationale veiligheidscertificaten voor zowel industriële als huishoudelijke normen.

Afbeelding 5: De 10-watt RAC10-05SK/277 AC/DC-voedingen hebben internationale veiligheidscertificaten voor zowel industriële als huishoudelijke normen. (Bron afbeelding: RECOM Power)

De 10-watt modellen zijn verkrijgbaar met enkelvoudige uitgangsspanningen van 3,3 tot 24 volt gelijkstroom, of in versies met dubbele uitgang die ±12 of ±15 volt gelijkstroom leveren. Deze voedingen voldoen aan IEC62477-1 overspanningscategorie III (OVC III) voor industriële systemen die in vaste installaties worden gebruikt, en voor gevallen waarin speciale eisen worden gesteld aan de betrouwbaarheid en de beschikbaarheid van de apparatuur. De voedingen in deze installaties hebben doorgaans een permanente, vaste verbinding met het wisselstroomdistributiepaneel. Net als de hierboven besproken RAC03E-K/277 van 3 watt hebben deze AC/DC-voedingen een extra breed ingangsspanningsbereik van 85 tot 305 volt wisselstroom of 120 tot 430 volt gelijkstroom.

20-watt voedingen met ultra-laag nullastvermogen

Ontwerpers van IoT en slimme apparaten kunnen profiteren van het gebruik van de 20-watt RAC20-K-serie AC/DC-modules. Zo produceert de RAC20-48SK-versie een gelijkstroomuitgang van 48 volt met een nullaststroomverbruik van slechts 40 milliwatt (mW) in toepassingen met permanente inschakeling en stand-by. Deze voedingen zijn voorzien van ErP Lot 6 Standby Mode Conformity. Zij zijn verkrijgbaar met een breed ingangsbereik van 85 tot 264 volt wisselstroom, en een optioneel extra breed ingangsbereik van 85 tot 305 volt wisselstroom of 120 tot 370 volt gelijkstroom. Gewijzigde versies van deze voedingen voldoen aan IEC62477-1 voeding OVC III. Deze op printplaten gemonteerde voedingen zijn verkrijgbaar met enkelvoudige uitgangsspanningen van 5 tot 48 volt DC, of in dubbele uitgangsversies die ±12 of ±15 volt DC leveren. Deze voedingen hebben een hoge efficiëntie van lichte belasting tot volle belasting, zoals blijkt uit de grafiek voor de RAC20-05SK 5 volt versie (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De grafiek van de efficiëntie ten opzichte van de uitvoerbelasting voor de RAC20-05SK (5-volt-uitgangsmodel) toont een hoge efficiëntie van lichte belasting tot volledige belasting. (Bron afbeelding: RECOM Power)

De RAC20-48SK AC/DC-voedingen voldoen zonder extra filtering aan de eisen voor geleide emissies van EN 55022 klasse B. Ze hebben een bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +85 °C, en zijn voorzien van internationale veiligheidscertificaten voor industriële, audio-visuele en informatietechnologie-apparatuur, waaronder (* = in afwachting voor de extra brede ingangsmodellen):

• IEC/EN62368-1 gecertificeerd
• UL62368-1 gecertificeerd
• CAN/CSA-C22.2 nr. 62368-1-14 gecertificeerd
• IEC/EN60335 gecertificeerd *
• IEC/EN61558-1 gecertificeerd *
• IEC/EN61558-2-16 gecertificeerd *
• Voldoet aan IEC/EN61204-3 *
• Voldoet aan EN55032/14 *
• Voldoet aan EN55024 *

Twee uitgangen van een enkele uitgang

Zoals hierboven vermeld, is de 3-watt RAC03E-K/277 alleen verkrijgbaar in een uitvoering met één uitgang. De 10 watt RAC10-05SK/277 en de 20 watt RAC20-48SK AC/DC voedingen worden aangeboden met enkele en dubbele uitgangen. De dubbele uitgangsconfiguraties zijn echter beperkt tot ±12 of ±15 volt gelijkstroom. In sommige toepassingen kan een andere combinatie van uitgangsspanningen nodig zijn. In die gevallen kunnen ontwerpers een AC/DC-voeding met één uitgang koppelen aan een DC/DC-convertor met een lager wattage of een schakelende regelaar om een extra uitgangsspanning te leveren, of een negatieve uitgangsrail (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Een schakelende regelaar (R-78xx, bovenaan) of een DC/DC-convertor (onderaan) kan worden gecombineerd met een AC/DC-voeding om een extra uitgangsspanning te produceren (bovenaan), of een negatieve spanningsrail (onderaan). (Bron afbeelding: RECOM Power)

Meer EMI-filtering

De RECOM RAC-serie AC/D- voedingen die in dit artikel worden besproken hebben allemaal een ingebouwd lijnfilter dat voldoet aan EN 55022 klasse B geleidende emissies. In meer veeleisende toepassingen kan extra filtering nodig zijn. Wanneer een extern filter wordt toegevoegd, moet een centrale ster-aarde bedradingstopologie worden gebruikt en moet de bekabeling tussen het externe filter en de convertor zo kort mogelijk zijn (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: De RECOM RAC AC/DC-voedingen voldoen aan EN 55022 klasse B geleidende emissies. Indien nodig kan een extern filter worden toegevoegd. (Bron afbeelding: RECOM Power)

Conclusie

De behoefte aan AC/DC-voeding met laag vermogen op printplaten blijft groeien, maar het blijven complexe systemen. Als een ontwerper niet goed thuis is in de nuances van voedingsontwerp, testen en regelnaleving, kan het tijdrovend zijn om deze van de grond af aan te ontwerpen, wat extra kosten, vertragingen in de ontwerpschema's en meer bordruimte dan nodig kan opleveren.

In veel gevallen is het beter een keuze te maken uit een aantal kant-en-klare, compacte, op printplaten gemonteerde AC/DC-voedingen. Zoals afgebeeld, zijn deze verkrijgbaar in een groot aantal ingangsspanningsbereiken en kunnen zij zowel AC- als DC-ingangen aanvaarden. Bovendien zijn zij waarschijnlijk reeds gecertificeerd volgens alle relevante internationale prestatienormen en nalevingsvoorschriften.

Aanbevolen lectuur

1. Een gids voor het selecteren en gebruiken van IoT- en IIoT-stroombronnen