Hoe optimale resultaten te garanderen bij het gebruik van open-frame AC/DC-voedingen

AC/DC-voedingen - ook wel "off-line" voedingen genoemd - worden op grote schaal gebruikt in verlichtings-, display-, informatietechnologie- en industriële toepassingen. Zij vormen een standaardbouwsteen van bijna alle elektronische systemen, met uitzondering van die welke alleen door batterijen worden gevoed.

Versies van deze voedingen worden geleverd als open-frame units voor inbouw in OEM-systemen als basis, niet-omsloten printplaten, en zijn afhankelijk van de uiteindelijke productverpakking voor de vereiste totale behuizing. Deze voedingen werken over een breed bereik van AC lijnspanningen en worden aangeboden in vele combinaties van uitgangsspanning, stroom, en vermogen.

Hoewel zij functioneel volledig en betrekkelijk gemakkelijk te gebruiken zijn, moeten ingenieurs bij het gebruik ervan toch rekening houden met een aantal ontwerp-overwegingen. Dit zijn:

• Elektrische veiligheid/regelgeving
• Thermisch beheer en derating
• Elektromagnetische compatibiliteit

In dit artikel worden deze overwegingen bekeken in de context van open-frame voedingen van XP Power en de LCE80-familie van convectiegekoelde, 80 watt (W) voedingen.

Voedingen: maken of kopen?

Historisch gezien was een van de eerste vragen bij de keuze van een van deze benodigdheden: "Moeten we het maken of kopen?" De achterliggende gedachte is dat het ontwerpen en bouwen van één of enkele eenheden van een elementaire, werkende voeding van <100 W niet moeilijk is, althans in principe.

In de praktijk is dit echter een veel complexere en veelzijdigere situatie, die een ontwerp en een constructie vereist die:

• Werkt volgens specificaties onder alle bedrijfsomstandigheden, inclusief AC lijn hoog/laag, transiënte prestaties en temperatuurbereik
• Beschikt over de nodige beveiligingsfuncties zoals overspanningsbeveiliging, onderspanningsafsluiting en thermische afsluitingen
• Zich bewust zijn van en voldoen aan de vele complexe wereldwijde regelgevingsmandaten voor veiligheid, efficiëntie en ruststroom
• Voldoet aan de verschillende schok- en trillingsvereisten
• Inclusief een plan om de prestaties te testen, te verifiëren en te certificeren

De realiteit is dat het zelfs voor een team van bekwame ingenieurs met ervaring op dit gebied een enorme uitdaging is om binnen een redelijke termijn een succesvol ontwerp te maken tegen aanvaardbare kosten voor eenmalige engineering (NRE), stuklijst (BOM), productieopstelling en test- en kwalificatiekosten vooraf.

Zelfs wanneer niet aan de eisen van een standaardeenheid kan worden voldaan, bieden de meeste leveranciers van AC/DC-voedingen maatwerkdiensten aan, waarbij zij een standaardtoevoer aanpassen om aan unieke eisen te voldoen, terwijl toch rekening wordt gehouden met de vele technische en wettelijke eisen.

Begin met open-frame implementatie

Een open-frame voorziening is de aanduiding van de industrie voor een constructie met alleen een printplaat, die functioneert als één enkel, compleet onderdeel, zoals die van de LCE80-familie (figuur 1). Het wordt geïnstalleerd in de eindapparatuurtoepassing, en dat eindproduct levert zowel de fysieke als de elektrische beschermingsomhulling voor de voeding. Open-frame voedingen bieden flexibiliteit bij de installatie, uitstekende prestaties, voldoen aan de wettelijke normen en mandaten, en zijn kosteneffectieve oplossingen waardoor het ontwerpteam zich meer kan richten op de rest van het systeemontwerp en de differentiatie daarvan.

Afbeelding 1: De LCE80-serie van 80-watt open-frame voedingen heeft alle benodigde componenten op een enkele printplaat gemonteerd. (Bron afbeelding: XP Power)

Een open-frame voeding is niet hetzelfde als een andere veelgebruikte AC/DC-voeding, het U-kanaal genoemd, waarbij de voedingsprintplaat is ingebouwd in een U-vormig chassis dat gewoonlijk van aluminium is gemaakt (figuur 2). Een goed voorbeeld is de VCS100US12 100-watt voeding van XP Power. Het chassis biedt de fabrikant van de apparatuur ook meerdere mogelijkheden om de voeding in de uiteindelijke assemblage te installeren, en bevat vaak een verwijderbaar deksel dat elektrische en fysieke bescherming biedt en is geperforeerd voor de luchtstroom.

Afbeelding 2: De 100-watt VCS100US12 U-kanaals voeding bevat een verwijderbare beschermkap. (Bron afbeelding: XP Power)

Hoewel de open-frame voeding compleet en gebruiksklaar is, zijn er nog steeds overwegingen in verband met elektrische veiligheid/regelgeving, thermische prestaties en grenzen, en installatie en elektromagnetische compatibiliteit (EMC).

Elektrische veiligheid/regelgeving: Gebruikers van open-frame voedingen moeten zich bewust zijn van speling en kruipweg eisen. Speling is de kortste afstand in de lucht tussen twee geleidende delen, terwijl kruipweg de kortste afstand langs het oppervlak van een massief isolatiemateriaal tussen twee geleidende delen is (figuur 3). De vereiste minima voor deze twee factoren zijn een functie van het voedingsvoltage, alsmede van de bedrijfsomstandigheden, zoals de te verwachten verontreiniging die stof, vocht en andere deeltjes in de lucht rond, of op het oppervlak tussen, hoogspanningsknooppunten teweegbrengt.

Afbeelding 3: Ontwerpen van printplaten moeten voldoen aan de minimumafmetingen voor vrije ruimte, de kortste afstand in de lucht tussen twee geleidende delen, en kruipruimte, de kortste afstand langs het oppervlak van een massief isolatiemateriaal tussen twee geleidende delen. (Bron afbeelding: Altium Limited)

De voedingen zijn ook onderverdeeld in verschillende IEC-klassen, gebaseerd op de eindtoepassing:

• Klasse I: Bescherming van de gebruiker tegen elektrische schokken wordt bereikt door een combinatie van isolatie en een beschermende aarding
• Klasse II: de gebruiker wordt tegen elektrische schokken beschermd door twee niveaus van isolatie (dubbel of versterkt)

Een systeem van klasse I vereist drie of vier millimeter (mm) tussen elk geaard metalen onderdeel en elk primair onderdeel van de voeding, afhankelijk van de vraag of de eindtoepassing industrieel of medisch is. Dit kan extra isolatoren rond de open-frame voeding vereisen; klasse II voedingen kunnen grotere kruip- en vrije afstanden nodig hebben.

Wanneer een voeding van klasse I wordt gebruikt, maakt de veiligheidsaarde van de voeding integraal deel uit van het elektrische systeem en moet deze stevig zijn verbonden met de veiligheidsaarde van de apparatuur. Ook is er waarschijnlijk meer dan één vereiste aardverbinding met het samenstel, hetgeen van invloed is op de elektrische emissies en de gevoeligheidsprestaties (hieronder verder besproken).

Zowel open-frame als U-kanaals voedingen hebben een ingebouwde zekering; voor toepassingen met medische apparatuur zijn twee zekeringen nodig.

De zekeringen zijn gewoonlijk permanent in de voeding ingebouwd en zijn niet ontworpen om ter plaatse te worden vervangen, aangezien de enige reden voor het activeren (openen) van een zekering een storing in de voeding is, die moet worden gerepareerd of vervangen voordat het systeem weer kan worden gebruikt. Er kunnen ook aanvullende eisen worden gesteld aan de zekering van het gehele systeem ter bescherming tegen problemen met verbindingskabels en -verbindingen, alsmede met andere circuits die geen verband houden met de voeding.

Thermisch beheer en derating: Hitte is een welbekend probleem in alle elektronische systemen, aangezien het de voornaamste oorzaak is van vermoeidheid van componenten en door stress veroorzaakte defecten, met inbegrip van breuken door thermische cycli. Ongeacht de specifieke spanning en stroomsterkte van de voeding, gaat het ontwerpers in de eerste plaats om het totale vermogen in watt dat de voeding levert.

Leveranciers ontwerpen vaak een reeks voedingen voor een bepaald maximaal geleverd vermogen en stellen de spannings- en stroomkoppelingen daarop af. Alle eenheden in de XP Power LCE80 serie zijn bijvoorbeeld geschikt voor 80 W, waarbij de eenheid met het laagste voltage, de LCE80PS05, 5 volt levert bij maximaal 12 A, terwijl de LCE80PS54 met het hoogste voltage 54 volt levert bij maximaal 1,48 A. Daartussenin zitten nog acht opties voor gelijkstroomoutput van 12 volt, 15 volt, 20 volt, 24 volt, 30 volt, 36 volt, 42 volt, en 48 volt.

De voedingen werken over een ingangsspanningsbereik van 90 tot 305 volt AC, waarbij het volledige belastingsvermogen beschikbaar is, zelfs bij een lage lijn van 90 volt. Het rendement ligt dicht bij 90%, wat betekent dat slechts 8 W door de voeding wordt verbruikt; de resterende 72 W is beschikbaar voor de behoeften van het systeem. Alle familieleden meten 101,6 mm × 50,8 mm × 27,9 mm. Het bedrijfstemperatuurbereik is -40 °C tot +70 °C, met volledig vermogen beschikbaar van -30 °C (-40 °C bij hoge AC-lijn) tot +50 °C. De berekende gemiddelde tijd tussen defecten (MTBF) is 300 kilo-uur, volgens MIL-HDBK-217F.

Alle units in de serie voldoen aan de vele relevante regelgevende normen, waaronder (maar niet beperkt tot) EN55032 Klasse B voor geleide en uitgestraalde emissies; EN55035, EN61547, en EN61000-4-2/3/4/5/6/8/11 voor EMC-immuniteit; EN61000-3-2 harmonische stromen Klasse C voor 50 W belasting en hoger. De veiligheidsgoedkeuringen omvatten CB IEC62368-1 (ITE), IEC60950-1 (ITE), UL62368-1 (ITE), TUV EN62368-1 (ITE), EN61347 (verlichting), en UL8750 (verlichting).

Het rendement van elke voorziening is van cruciaal belang, aangezien het bepaalt hoe de opgewekte warmte wordt beheerd. Open-frame voedingen kunnen worden gekoeld door middel van passieve convectie, actieve geforceerde lucht (ventilator), of een combinatie van beide. Veel ontwerpers geven de voorkeur aan voedingen die alleen met passieve luchtkoeling kunnen werken en niet met een ventilator, om een groot aantal redenen, waaronder:

• Het bespaart op directe BOM-kosten en verkort de productassemblagetijd.
• Hierdoor wordt een potentiële storingsbron - de ventilator - geëlimineerd, wat een rimpelingseffect zou hebben, waardoor oververhitting zou ontstaan en de levensduur van de voeding aanzienlijk zou worden verkort.
• Hiermee worden problemen vermeden in verband met het beheer van de ventilatorsnelheid en -werking, die gewoonlijk gebaseerd zijn op het meten van de omgevingstemperatuur.
• Het is duidelijk stiller, een belangrijke factor in veel situaties.
• Hiermee wordt voorkomen dat de eindgebruiker onbedoeld oververhittingsproblemen veroorzaakt door de ventilatorinlaat of -uitlaat te blokkeren.

Kortom, het wegvallen van de noodzaak van een ventilator verhoogt de betrouwbaarheid van het totale systeem aanzienlijk, vereenvoudigt het mechanisch ontwerp en verlaagt de kosten. Om ventilatorloos te kunnen werken, moeten ontwerpers het gegevensblad van de voeding bekijken om te zien of geforceerde lucht nodig is om aan de opgegeven specificaties te voldoen, of dat alleen passieve convectie voldoende is.

Dit onderzoek omvat een controle van de maximumtemperatuur waarvoor de leverancier de prestaties volgens alle specificaties garandeert, en van de derating-curve die aangeeft hoeveel het uitgangsvermogen afneemt boven een drempeltemperatuur. Een goed ontworpen voeding handhaaft het nominale vermogen tot 50⁰C omgevingstemperatuur, en tot 90 volt AC ingangsspanning. Sommige producten daarentegen geven een nominaal vermogen aan, maar verminderen al snel tot 20% bij een lage AC-lijn, en verminderen het beschikbare vermogen al bij omgevingstemperaturen van 40⁰C. Voor de LCE80-serie wordt volledige prestatie gegarandeerd tot 50⁰C, lineair gereduceerd tot 50% tot een maximumtemperatuur van 70 ⁰C (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Deze deratingcurve voor de LCE80 serie toont aan dat deze voedingen hun 80 W prestatievermogen behouden tot 50 ⁰C, en dan met 50% afnemen tot 40 W bij een maximale bedrijfstemperatuur van 70 ⁰C. (Bron afbeelding: XP Power)

De montagepositie, oriëntatie, beschikbare omgevingsruimte, toegepaste belasting en omringende onderdelen, samen met eventuele luchtkoeling, zijn uniek voor elke toepassing. Het is belangrijk dat de temperatuur wordt gemodelleerd en gemeten bij de open-frame toevoer, en niet ergens anders in de systeembehuizing, aangezien er grote, sterk gelokaliseerde variaties kunnen zijn

Een kritische factor bij het bepalen van de geschatte levensduur van een voeding is een levensduurcurve op basis van de temperatuur van de belangrijkste elektrolytische condensatoren, de enige onderdelen met een slijtagemechanisme. Alle berekeningen van de levensduur van elektrolytische condensatoren zijn gebaseerd op de Arrhenius-vergelijking, waarbij de reactiesnelheid verdubbelt - en dus de levensduur wordt gehalveerd - voor elke tien graden Celsius dat de temperatuur stijgt (Afbeelding 5). Een goede indicatie van de levensduur kan worden verkregen door meting van de temperatuur van de behuizing van de component en toepassing van de Arrhenius-vergelijking op de gespecificeerde temperatuur en de ontwerplevensduur.

Afbeelding 5: De thermische deratingcurves voor twee typische elektrolytische condensatoren tonen hun halvering van de levensduur voor elke 10 ⁰C stijging van de temperatuur, volgens de Arrhenius-vergelijking (rechts). (Bron afbeelding: XP Power)

Elektromagnetische compatibiliteit: Open-frame voedingen vereisen doorgaans twee en soms drie montagepunten die met de aarding moeten worden verbonden om aan de normen te voldoen. In een systeem van klasse I is één van deze aansluitingen vereist voor de veiligheidsaarde en bevindt zich aan de ingangszijde van de assemblage. Deze aansluiting verbindt ook de lijn-naar-aarde en de nul-naar-aarde condensators van het common-mode filter, ook bekend als Y-condensators (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De Y-condensators fungeren als een common-mode filter en worden gebruikt aan de ingangszijde van de voeding, waarbij de lijn en de nulleider met de aarde worden verbonden. (Bron afbeelding: www.blogranya.blogspot.com)

Deze condensators werken samen met de common-mode inductoren in de voeding om ruis te dempen die samenhangt met snelle spanningsveranderingen in de eindtrap van de voeding. Deze uitgangscondensators voor gemeenschappelijke modi zijn van cruciaal belang voor de EMC-prestaties van de voeding en moeten worden aangesloten voor optimale EMC-prestaties.

Het is noodzakelijk deze punten met elkaar te verbinden om de EMC-conformiteit met open-frame voedingen te waarborgen. De punten die met massa of met elkaar moeten worden verbonden, staan gewoonlijk vermeld in het gegevensblad van de voeding, en de beste manier om deze punten aan te sluiten is door de voeding op een geaarde metalen plaat te monteren (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De op de tekening met het aardingssymbool gemarkeerde montagegaten moeten worden verbonden met de veiligheidsaarde bij toepassingen van klasse I, of samen worden verbonden bij toepassingen van klasse II (Bron afbeelding: XP Power)

Deze plaat hoeft nergens anders op te worden aangesloten, daar zijn functie is een laag-impedantie pad met lage parasitaire elementen te verschaffen voor de filtercondensatorverbindingen naar de aarde. Bevestigingsgaten die gemarkeerd zijn met het aardingssymbool moeten worden verbonden met de veiligheidsaarde bij toepassingen van klasse I, of samen worden verbonden bij toepassingen van klasse II.

Als algemene richtlijn geldt dat alle ingangs- en uitgangskabels van de voeding gescheiden moeten worden gehouden en dat de open assemblage niet te dicht bij elkaar mag komen. Dit minimaliseert potentiële problemen waarbij de elektromagnetische straling die in de voeding wordt opgewekt, geleide en uitgestraalde emissies in de eindapparatuur veroorzaakt.

Conclusie

Ontwerpers kunnen hun ontwerpproces verkorten en verbeteren door zich te concentreren op één familie van open-frame voedingen met verschillende spannings-/stroomwaarden, terwijl alle andere factoren ongewijzigd blijven. Dit vereenvoudigt de montage, aarding, EMC en thermische analyse, derating overwegingen, prestatie-enveloppe berekeningen, fysieke aansluitingen, en bekabeling.