交流/直流電源可分為兩個主要系列之一：內部電源或外部電源。內部電源是將作為組件安裝在某些終端設備內的電源;外部電源作為獨立的子組件伴隨終端設備。內部和外部電源在成功實現(xiàn)電源作為最終系統(tǒng)的一個元素所需的工程工作量方面差異很大。

在系統(tǒng)中設計內部交流/直流電源時，必須考慮有關安裝的安全、熱和電磁兼容性 (EMC) 影響的幾個因素。本文概述了與使用內部電源轉換解決方案相對于外部電源轉換解決方案相關的注意事項，并提供了實現(xiàn)正確安裝的指導。

內部與外部

外部電源為原始設備制造商 (OEM) 提供了內部轉換器無法提供的多種優(yōu)勢和便利。因此，使用外部適配器的趨勢

使用外部適配器會讓電源制造商承擔昂貴的安全合規(guī)性設計、測試和認證的責任。下游安全超低電壓(SELV) 電路的電氣危險得到緩解，這意味著 OEM(不一定)需要解決與其設計中的高壓電路相關的安全問題。

OEM 還免除了管理其外殼內與電源轉換相關的散熱的責任。當今最高效的電源轉換拓撲仍預計終端設備每消耗 3 瓦功率就會產(chǎn)生大約 1 BTU 每小時的熱量;在許多中功率和高功率應用中會產(chǎn)生大量熱量。

外部轉換器增強了終端設備的可維護性。 OEM 無需派遣技術人員到遠程站點來更換外部電源適配器。相反，未經(jīng)培訓的消費者可以方便地更換組件，從而減少系統(tǒng)停機時間和 OEM 服務成本。

電源依賴于磁性元件和散熱器的使用，這兩種元件都不以體積小或重量輕而著稱。將這些又大又重的材料放置在設備本身之外有助于從營銷角度使其脫穎而出。

盡管外部電源轉換有很多好處，但仍有大量應用從根本上需要實施內部電源。這些應用通常是固定或半永久性安裝和/或使用比標準現(xiàn)成外部電源更多的功率，而標準現(xiàn)成外部電源在 350W 以上變得異常稀缺。在這種情況下，外部電源轉換的上述好處成為實施挑戰(zhàn)。

安全影響

內部電源是組件，而不是獨立設備。這意味著產(chǎn)品安全的許多方面取決于其使用方式，而不僅僅是其制造方式。

除非內部電源安裝在另一個設備中，否則無法根據(jù)許多安全標準條款正確評估內部電源。以IEC 60950-1為例，該標準通常用于評估工業(yè)應用電源的安全性。以下條款很難甚至不可能單獨使用內部電源進行評估，但確實可能需要在最終應用中進行評估：

· 第 1.5、1.7、3.3 和 3.4 條中有關互連電纜和斷開設備使用的部分：

內部電源 I/O 通常由固定在 PCB 上的接頭座或端子塊組成。安裝 PSU 時，需要使用線束將輸入和輸出端口分別引出至某個標準交流入口并引至 PCB。許多內部 PSU 具有用于警報、控制信號或輔助電源軌的附加端口。所有這些外圍連接都需要進行評估，以保證最終組裝中的安全。

· 第 2.1 條中有關帶電部件可觸及性的部分：

內部電源，即使是帶有外殼或 U 形通道組件的電源，也無法提供足夠的防電擊保護。最終產(chǎn)品組裝應提供此類保護，防止操作員無意中接觸危險電壓。使用外部電源時，PCB 周圍的塑料外殼可提供這些保護。

· 第 2.6 條中有關接地和連接規(guī)定的部分：

I 類內部電源提供了一種將電源的保護接地節(jié)點連接到系統(tǒng)的保護接地的方法。一個或多個內部 PSU 的安裝孔通常與電源轉換電路的保護性接地節(jié)點進行電氣連接，這樣，如果終端設備機箱接地，則使用導電硬件向下安裝 PSU 即可完成所需的接地連接。其他常見配置包括輸入接頭上的接地引腳，或 PCB 上出現(xiàn)的單獨接地片。安裝需要進行安全評估，以確保這些連接正確(正確的導體尺寸和阻抗、正確的絕緣材料和絕緣顏色等)。

· 第 2.10 條中有關爬電距離、間隙距離以及絕緣的部分：

在內部電源的安全評估中充分考慮了第 2.10 條。但是，在安裝過程中必須注意不要損害這些合規(guī)性項目。 PSU 靠近附近導體可能會降低有效爬電距離和間隙距離。考慮以下假設情況，其中光耦合器用于將輸出電壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦β兽D換器初級側的控制卡。

在此示例配置中，光耦合器橋接了初級和次級之間的安全間隙(圖 1)。當通孔引線突出到 PCB 底部時，高壓引線和 SELV 引線在 FR4 下方由 7 毫米的空氣隔開。此配置符合 60950-1 6 毫米間隙要求。

圖 1此示例配置顯示了內部 PSU 安裝中的間隙距離。

如果使用(位置不當?shù)?機械螺釘將外部物品固定到機箱(或將機箱固定到其他物體)，則此配置與第 2.10 條的合規(guī)性可能會受到影響，如圖2所示。請注意，出于爬電距離和電氣間隙測量的目的，劃分爬電距離和電氣間隙距離的未連接導電部件被視為零距離。

圖 2機械螺釘可能會影響光耦合器的間隙距離。

突出到機箱中的機械螺釘，盡管沒有與任何連接的電氣部件接觸，但已有效地將光耦合器的間隙距離從 7 毫米減少到 5.5 毫米。因此，該組件不再符合第 2.10 條的規(guī)定。這就是 U 形通道組件中的 PSU 指定用于安裝 U 形通道的最大螺釘長度的原因之一。雖然突出的機器螺釘是此類安裝問題的常見罪魁禍首，但它們并不是安裝內部電源時必須考慮的唯一未連接的導電部件。

· 第 4.1 條和第 4.2 條中有關機械穩(wěn)定性和強度的部分：

確保機械應力不會造成安全隱患的責任落在最終組件身上。內部電源不打算用作獨立設備，因此安全機構通常不會評估其獨立機械完整性。重要的是最終安裝能否很好地承受機械應力并支撐內部 PSU。當然，內部電源必須設計得具有良好的機械性能，這樣它們就不會成為最終組裝中最薄弱的環(huán)節(jié)，但相關的安全評估不能在組件級別進行。

· 第 4.6 和 4.7 條中有關外殼開口和防火的部分：

電氣設備的封閉方式必須有助于在發(fā)生災難性故障時減輕火災蔓延。雖然已采取措施確保內部電源設計的方式不會因故障而引起火災，但在最終組裝中仍必須實施防火外殼。

熱影響

熱量是電源轉換器的頭號敵人。在高工作溫度下，熱失控可能導致半導體過熱和燒毀，組件溫度可能超過適用安全標準允許的溫度，并且隨著化學過程的加速(特別是電解電容器)，設備的使用壽命可能會迅速縮短。使問題進一步復雜化的是，電源在正常運行時會產(chǎn)生熱量。根據(jù)公式 1，電源產(chǎn)生的熱量與其運行效率相關。

其中 Q d是耗散的熱量(以瓦為單位)，P OUT是輸出功率(以瓦為單位)，η 是效率。 P OUT和 η 在等式 1 中用類似的下標表示，以明確運行效率隨輸出 (O) 功率變化而不僅僅是某個固定值。

如果給定組件產(chǎn)生的熱量 100% 轉移到其環(huán)境中(假設結點與環(huán)境熱阻抗為 0°C/W)，則該組件的溫度不會升高。另一方面，如果產(chǎn)生的熱量和傳遞的熱量之間存在差異，則設備的溫度將根據(jù)其熱阻抗而升高。內部電源的安裝方式必須能夠將熱量傳遞到環(huán)境中。

大多數(shù)標準內部 PSU 旨在通過自然或強制對流促進這種熱傳遞。某些內部 PSU 還可能提供傳導路徑，通過與某些外部散熱器接觸將熱量從設備中帶走。安裝電源時，請務必考慮 PSU 制造商指定的冷卻要求。對于超低功耗應用(大約 50W 或更低)，應注意確保至少有一條空氣流過電源轉換器的路徑。

如果指定 PSU 在自然對流條件下提供給定量的功率，則意味著有一種方法可以允許在熱梯度的影響下在最終組件中發(fā)生自然對流。應留有通風口和一定的可用空間，以便空氣在溫暖的 PSU 組件周圍自然循環(huán)，從而消除其中的熱量。自然對流與完全靜止的空氣不同，應小心不要“窒息”內部電源轉換器。

隨著功率水平的增加，自然對流通常不足以去除敏感 PSU 組件的熱量。在這種情況下，通常需要強制風冷。強制風冷涉及使用風扇在單位時間內從機柜外部推動或拉出更多的空氣穿過熱電源組件。通過這些部件的空氣越多，散發(fā)的熱量就越多。如果需要強制風冷，電源制造商應指定每次的體積和實現(xiàn)最佳冷卻性能所需的流向。

在某些應用中，由于可聞噪音或缺乏足夠的通風，無法部署強制風冷。在這些情況下，必須提供傳導路徑將熱量從敏感的 PSU 組件傳遞到外界。應該注意的是，并非所有內部電源都設計有利于傳導冷卻。

有趣的是，電源相對于地球引力的物理方向有時可能是一個重要的熱考慮因素。熱空氣從地球上升，在對流循環(huán)中被密度更大、溫度更低的空氣取代。有時，方向不當?shù)碾娫磿偈篃峥諝饬飨蛟O計中對熱敏感的組件?？紤]電源的主開關晶體管(熱源)靠近電解電容器(熱敏感)的情況。如果可能，應避免將電源放置在電解電容器物理上方的位置(圖 3)。

圖 3該圖顯示了物理方向對自然對流換熱的影響。

同樣，應對外殼內發(fā)熱和熱敏組件的接近度和相對方向進行評估。 PSU 本身既發(fā)熱又對熱敏感。

EMC 影響

EMC 認證有時會給任何系統(tǒng)集成帶來挑戰(zhàn)，無論 PSU 是內部還是外部。盡管 PSU 制造商努力爭取盡可能高的排放裕度，以便為終端設備電路留出空間來發(fā)射能量而不導致系統(tǒng)級故障，但對于 OEM 而言，了解兼容的電源并不意味著有足夠的空間仍然很重要。始終保證系統(tǒng)級合規(guī)性。對于內部電源尤其如此，其中安裝決策可能會極大地影響最終系統(tǒng)的輻射和傳導發(fā)射曲線。常見錯誤包括功能接地不當和接線松懈。

接地的作用不僅僅是將故障電流從毫無戒心的用戶中分流出來。當所需/預期電流進出 PSU 時，接地也是降低不需要的高頻 (HF) 能量的好地方。如果開關元件的高頻偽影耦合到輸入和/或輸出線上，它們可能會對輻射和傳導發(fā)射曲線造成嚴重破壞。為此，大多數(shù) PSU 設計都采用低阻抗交流路徑接地，以應對來自輸入和輸出導體的高頻電流。確保這些路徑正確連接是 PSU 安裝的關鍵因素。

當安裝硬件尚未用于保護接地功能時，更容易犯功能性接地錯誤。如果 PSU 沒有導電安裝，通常仍然需要在所有安裝孔之間建立電氣連接，因為 PSU 設計通常假設它們是連續(xù)的。轉換器次級側的一個或兩個安裝孔通常電容耦合至 DC+ 和 Return，以將 HF 噪聲分流至地，如圖4所示。

圖 4轉換器次級側的安裝孔電容耦合至 DC+ 和 Return，以將 HF 噪聲分流至地。

在圖 4 中，用戶負責保護虛線所示的功能連接。如果這不是通過使用導電安裝硬件來實現(xiàn)的，則需要手動將加蔽線連接到每個適用的安裝孔。否則，分流路徑將變成開路，高頻能量將無處可去，只能通過直流線束流出。

即使轉換器兩側的分流路徑確實正確連接，一定量的 HF 能量仍會進入 I/O 接線。如果需要，可以通過在線束中添加共模電感來改善濾波。無論如何，應注意使 I/O 線路盡可能短，并避免在預計會輻射電磁能的組件附近鋪設 I/O 線。

當使用內部電源時，電源設計工作中會引入一系列(盡管很容易緩解)復雜性。在安全、散熱和電磁安裝考慮因素之間，很多事情都可能出錯。當開始使用內部電源的新設計時，或者如果您遇到與現(xiàn)有解決方案的集成問題，請記住這些準則。