如何設(shè)計耐用型電源

電源用于各種困難和苛刻的環(huán)境。然而，現(xiàn)代電源的“堅固性”是主觀的。例如，足夠堅固且能夠承受高海拔環(huán)境的電源可能不具備承受海洋環(huán)境所需的條件。那么，在沒有標準定義的情況下，如何獲得所需的耐用型電源呢？

無論您的規(guī)格是半頁文檔還是 30 頁長的文檔，在采用耐用型電源設(shè)計時，都有問題要問，也有標準要考慮。找到合適的設(shè)計和制造合作伙伴也會有所幫助。

最終，需要耐用型電源的工程師需要在四個關(guān)鍵領(lǐng)域定義他們的要求：

1. 機械

2. 環(huán)境的

3. 電氣

4. 使用壽命長

耐用型電源設(shè)計的機械方面

一般來說，關(guān)于電源的機械性能，應該問三個關(guān)鍵問題：

1. 設(shè)備在其生命周期內(nèi)是否會受到明顯的振動或沖擊？

2. 該裝置是否需要金屬外殼來防止各種危險？

3. 電源將如何保持連接，或者設(shè)備將如何物理插入？

振動和沖擊：面臨劇烈振動或沖擊的電源可能需要封裝在環(huán)氧樹脂等材料中。液態(tài)樹脂固化后，該裝置會變成磚狀。如果您的應用需要不同類型的灌封膠，聚氨酯可能是一個合適的替代品。

在不太嚴重的應用中，用鉚接膠粘劑代替密封膠可能是正確的選擇。鉚接膠粘劑通過最大限度地減少振動和減少引線上的壓力來保護電子元件。通常，這些膠粘劑用于電源印刷電路板組件 （PCBA） 中較高的元件，例如電容器、變壓器或其他無源元件和磁性元件。

金屬外殼：大多數(shù)電源都安裝在金屬或塑料外殼中。塑料通常更輕、更便宜，但金屬外殼往往具有更強的抗沖擊性，尤其是對于終端速度高的物體。如果您正在設(shè)計必須防彈的電源裝置，則可能需要一個厚實的鋼制外殼。如果您需要抵御大冰雹，那么不同厚度的不同類型的金屬可能是最合適的。

連接：連接器是配合在一起的機械設(shè)備，以便電力可以從電源流向目的地。連接器需要保持在一起，但在惡劣的環(huán)境中，它們總是有被拔出的風險。對于堅固的電源，您可能需要具有扭轉(zhuǎn)解鎖功能的連接器或其他釋放機制。

耐用型電源：環(huán)境的產(chǎn)物

耐用型電源的環(huán)境考慮因素分為幾類：

• 溫度

• 濕度

• 鹽

• 污染

• 高度

溫度：許多電子元件的設(shè)計溫度范圍為 0 至 70°C。 盡管如此，將規(guī)格表上的溫度范圍與您的應用要求進行比較仍然很重要。熱漂移是由溫度變化引起的行為變化，會影響組件性能，尤其是在高功率應用中。

在電源中，用于存儲能量的鋁電解電容器在極寒環(huán)境中會失去其電氣特性。雖然可以使用用于較低溫度的鋁電解電容器，但它們通常提供的電容較小，這最終會影響電源設(shè)計。例如，如果您正在設(shè)計一個可以在北極條件下打開相機的桿式電源，那么值得考慮一下。

高溫也會導致組件性能出現(xiàn)較大差異。例如，石油和天然氣行業(yè)需要能夠承受高達 150°C 溫度的電源。 在某些情況下，這些裝置與安裝在大型鉆頭上的印刷電路板 （PCB） 一起使用。當鉆頭高速鉆穿巖石時，會產(chǎn)生摩擦，熱量會積聚，這可能會給連接到它們的電源帶來問題。

濕度：高濕度會導致濕氣凝結(jié)在電源的電子設(shè)備上。反過來，這可能會產(chǎn)生導電路徑，從而導致短路和腐蝕。具有適當通風的密封外殼可以防止?jié)駳膺M入電源，但您的應用可能需要表面貼裝元件的保形涂層。

鹽：在海洋環(huán)境中，腐蝕不僅會影響電源的內(nèi)部組件，還會影響其金屬外殼。如果鋁和其他金屬遇到鹽水，可能會發(fā)生電偶腐蝕。對于這種堅固的應用，可以使用輻照鋁，但前提是整個裝置都通過鹽霧測試。

污染：各種污染物也會影響電源性能。在許多情況下，空氣中的灰塵是最大的問題。但是，工業(yè)環(huán)境可能面臨不同的風險。例如，在機械車間中，導電銼屑可能會產(chǎn)生電弧，從而損壞銑床中的電路板。如果電源與動物、導電的毛發(fā)和毛皮密切接觸，也可能帶來風險。

高度：海拔高度也會影響電源的性能，尤其是與冷卻有關(guān)時。由于空氣密度較低，因此對流和強制空氣冷卻在較高海拔地區(qū)效果較差。例如，如果您的產(chǎn)品將在丹佛、科羅拉多州或其他山區(qū)使用，這一點很重要。同樣，商用飛機或軍用飛機中使用的散熱器在飛機飛行時而不是在地面上散熱效果不佳。

瞬變在耐用型電源中的重要性

堅固耐用的電力電子設(shè)備需要一定程度的瞬態(tài)保護，即電源輸入端電壓或電流的突然、短時間變化。它們表現(xiàn)為電源線上的尖峰或低谷，可能是由雷擊等事件引起的，這可能導致電壓浪涌。這就是為什么在電線桿上安裝避雷器的原因，以及為什么在暴風雨經(jīng)常發(fā)生的地方而不是沙漠氣候中可以找到更多此類設(shè)備。

Bear 電源

堅固耐用的電源通常采用定制配置以及標準配置，例如 Bear Power Supplies BP6 系列。

不過，雷擊并不是輸入瞬變的唯一原因。它們也可以由感應負載（如電動機）的快速開關(guān)觸發(fā)，甚至由連接到同一電路的其他設(shè)備汲取的功率的突然變化觸發(fā)。

輸入瞬變：大多數(shù)輸入瞬變是由雷擊到電源線引起的。這可能會影響建筑物內(nèi)部的設(shè)備，但當電源安裝在室外時，甚至更糟糕的是，安裝在室外金屬桿上，風險會更大。但是，這些瞬變具有非?？斓纳仙龝r間和較短的持續(xù)時間，通常以微秒或毫秒為單位，通常也發(fā)生在工業(yè)負載快速導通和關(guān)閉時。這被稱為 “ringing on the line”（響鈴在線）。

例如，一名工人突然打開了工廠車間的電焊機。它與配備可編程邏輯控制器 （PLC） 的 CNC 機床位于同一條電源線上。來自電焊機的電流可能會向連接到本機接地的任何東西引入瞬態(tài)電壓。如果沒有足夠的電氣隔離，PLC 可能會出現(xiàn)故障。

負載瞬變：負載瞬變是電路吸收的電流的突然、短暫的變化。它們會導致電源負載的快速增加或減少，從而可能觸發(fā)輸出電壓的暫時波動。一些電源驅(qū)動如此大的電容負載，以至于每當它們打開時，似乎都會發(fā)生短路。

負載可能會有很大差異，并且在某些情況下會恢復供電。這是工廠車間的一個問題，那里有重型電動機和其他工業(yè)級系統(tǒng)。例如，驅(qū)動熱泵的電機可能需要 50 W 的平均負載。但有時，需要額外的功率 — 高達 75 W — 。有時返回的功率也高達 25 W。

電動機可以充當發(fā)電機。當電機的動能轉(zhuǎn)換回電能時，就會發(fā)生這一過程，這個過程稱為再生。

雖然高壓瞬變可能會損壞電源中的功率晶體管和二極管，但大電流浪涌會導致電路故障，需要使用保護機制。

使用壽命：耐用型電源的使用壽命是多久？

大多數(shù)工程師都希望電源設(shè)計經(jīng)得起時間的考驗，但它們真的必須持續(xù)多長時間呢？通常，應用程序類型決定了“長壽命”的含義。例如，許多消費品預計只能持續(xù)五年左右。相比之下，醫(yī)療保健行業(yè)使用的醫(yī)療設(shè)備和其他設(shè)備預計可以使用 10 年或更長時間。工業(yè)產(chǎn)品需要更長的使用壽命，通常為 15 年以上。

國防和航空航天電子設(shè)備內(nèi)部的電源對“長壽命”也有不同的定義。許多軍用級電源必須堅固耐用，但其他電源可能只需要持續(xù)執(zhí)行一次單向任務。相比之下，汽車和其他運輸系統(tǒng)的核心電源可能一次必須持續(xù)數(shù)十年。例如，許多控制列車信號的繼電器已經(jīng)使用了 50 多年。

您為電源選擇的組件也有自己的使用壽命。例如，在筆記本電腦中，風扇通常提供冷卻。隨著時間的推移，風扇會磨損，過濾器可能會堵塞。至于電源中的鋁電解電容器，它們的使用壽命很少超過 15 年——即使電源單元設(shè)計保守也是如此。

定義電源的“耐用型”取決于應用

最后，電源設(shè)計人員需要按照自己的方式定義“堅固耐用”。沒有一個普遍認可的定義 — 使一個裝置堅固耐用的特性在另一種情況下可能并不合適，或者在不同的應用中可能不成比例。但是，通過選擇合適的電源制造商并與他們合作進行定制設(shè)計，您可以獲得應對這一挑戰(zhàn)所需的幫助。