低功耗设备电源对EMC级别的电源设计方案

低功耗设备电源对EMC级别的电源设计方案AC/DC电源设计人员面临着持续的竞争压力，在提高能效并满足一系列全球电磁兼容性(EMC)要求的同时，还需要降低成本、减少设计时间和外形尺寸。转换器还必须能够在各种AC（有时是DC）输入电压下保持能效和性能，提供宽运行温度范围，并通过输出短路和过流保护确保设备和用户安全。设计灵活的多应用电源是一项耗时而艰巨的任务，这需要一套特定的技能。即使内部具备这些技能，仍然会大幅增加上市时间。虽然有符合特定性能规格的现成即用模块，但如果设计要求发生变化，设计人员必须选择另一种模块。为了解决这个问题，设计人员可以使用板安装AC/DC转换器来满足核心监管、占用面积和性能规范，同时提供高度的定制能力以满足不断变化的要求。本文讨论了有关低功耗设备电源设计的问题。然后介绍了Mornsun的小尺寸AC/DC转换器，并展示了如何轻松定制这些转换器以满足各种应用的要求。本文展示了设计人员如何通过优化多应用AC/DC转换器最大程度降低成本，提高能效并减小解决方案尺寸，同时确保用户和设备安全，并实现特定的EMC级别。低功耗设备电源的设计要求在电磁干扰(EMI)和电磁抗扰性(EMS)方面，EMC要求的范围涵盖从一些消费类应用的最小滤波到需要满足CISPR32/EN55032B类级别EMI（辐射）和IEC/EN61000EMS（抗扰度）级别4（表1）的工业系统和室外场所。此外，这些AC/DC转换器必须符合6级能效标准，可在宽温度范围内运行，具有输出短路和过流保护，并且外形紧凑且成本低。表1：通过添加外围元器件，可定制Mornsun的AC/DC转换器，以满足各种应用的辐射和抗扰度要求。（表格来源：Mornsun）由于可能有必要为每种应用及其特定要求设计或选择一个电源，随之而来的是设计时间、成本和库存管理方面的代价。因此，更具成本和资源效益的方法是使用标准电源模块，该模块在各种应用的性能范围内，并且容易进行优化以满足每种目标应用的具体需求。多应用定制要采用这种方法，设计人员可以选择使用Mornsun的LS-R3系列板安装AC/DC转换器，该转换器满足一系列的EMI和EMS要求。基本的核心板可提供3至10W的功率输出，尺寸为28x14.73x11毫米(mm)，比同等功率的转换器小43%（图1）。图1：LS-R3系列AC/DC转换器是高度可靠的反激式功率级，可进行定制以符合一系列EMI/EMS级别。（图片来源：Mornsun)该转换器可轻松定制，以满足各种EMI/EMS规范，可达到CISPR32/EN55032B级的EMI，IEC/EN61000-4-4±4千伏(kV)电气快速瞬变(EFT)，以及4级EMS的±2kV浪涌。通过优化EMI/EMS级别，设计人员可以实现多应用AC/DC转换器，最大程度降低成本和减小解决方案尺寸。LS-R3系列通过了IEC/EN/UL62368安全认证，符合6级能效标准，具有输出短路和过流保护，以及-40°C至+85°C的宽工作温度范围。多应用定制始于基本的融合和滤波需求。虽然LS-R3系列的输入范围为85至305VAC（或70至430VDC），但个别应用的工作电压为特定的电网电压，如110、230或277VAC，这些电压需要相应额定值的保险丝（表2）。例如，LS05-13B12R3型的输出为12VDC，电流为420毫安(mA)，当用于工作于277VAC输入的设备时，可使用Littelfuse的36911000000保险丝。表2：LS-R3系列的输入范围为85至305VAC。保险丝的选择基于使用电源转换器时的实际电网电压。（表格来源：Mornsun）如前所述，LS-R3系列的范围涵盖3W转换器，如输出为3.3VDC的LS03-13B03R3，直到输出为24VDC的10WLS10-13B24R3。所有三个系列（3、5和10W）都提供输出电压为3.3至24VDC的型号。下面讨论的设计实例基于LS05-13BxxR3系列5W转换器。基本设计从保险丝开始，然后增加一个绕线电阻器，如Vishay公司的12欧姆(Ω)、3W的AC03000001209JAC00，以减少浪涌电流并提供有限的浪涌保护；一个输入电容，如Rubycon公司的22微法(μF)、450V的450BXW22MEFR12.5X20；以及一个基本的输出滤波电容，如NichiconRS81C271MDN1，额定为270微法(µF)和16V（图2）。这种基本的实现方式符合EMS3级，但不能满足更苛刻的EMI或EMS规范，只适用于对成本最敏感的设计和非常基本的性能需求。根据熔断情况，它可以在85至305VAC输入下工作，并产生一个隔离直流输出。由于只有最低限度的输出滤波，它不符合大多数EMI或EMS规范，而且输出纹波相对较高。图2：这个成本敏感型设计的基本设计效果图符合EMS3级标准，包括四个外部元器件（保险丝，即左边的黑色元器件；输入电容，即中间的黑色圆柱体；输入电阻，即位于输入电容的左边；输出滤波电容，即右边的白色圆柱体）。（图片来源：Mornsun)对于需要更多输出滤波和更高水平EMI性能的设计，可以增加三个额外的元器件（图3）。一个横跨转换器初级和次级侧的“Y”型电容，可大幅降低噪声并改善EMI性能。注意：为了满足家用电器的IEC/EN60335标准，可能需要增加第二个“Y”型电容。添加一个Pi滤波器可以显著减少输出纹波。这可以通过以下方式实现：在基本设计中使用输出电容，并增加一个电解电容（如Rubycon的35THV47M6.3X8，额定值为47μF和35V）以及一个电感。图3：这个二级设计在初级和次级侧增加了一个“Y”型电容（蓝色元器件），以进一步降低噪声和EMI，并加入了一个Pi滤波器以降低输出纹波（该滤波器的设计方法是取下原来的白色输出电容并添加一个电解电容（右上方的黑色元器件）和一个电感（电解电容下面的灰色元器件））。（图片来源：Mornsun)需要A类或B类EMI级别和4级EMS性能的设计也可以使用LS-R3核心印刷电路板（图4）来实现。在输入端放置一个差模电感器，可使该设计能够满足A类EMI要求。图4：增加一个差模输入电感器（L1，PC板下方的黑色圆柱体）来满足A类EMI限制；再增加一个“X”电容（CX1，黄色元件，中心左侧）来满足B类EMI；以及在交流输入端增加一个压敏电阻（MOV1，左上方蓝色元器件）来满足4级EMS。（图片来源：Mornsun)B类EMI限制可通过增加一个“X”电容器来满足，如TDK的B32671Z6104K000，这是一个0.1μF、630V径向薄膜器件。4级EMS性能可通过插入一个压敏电阻实现，如TDK的B72214S0351K101金属氧化物压敏电阻(MOV)。图5所示的完整电路可以满足EMI(CISPR32/EN55032)B类级别、EMS(IEC/EN61000)EFT±4kV以及±2kV浪涌。图5：所示的完整电路图可以满足EMI(CISPR32/EN55032)B类级别、EMS(IEC/EN61000)EFT±4kV以及±2kV浪涌。（图片来源：Mornsun)在图5中，CY2是前面提到的第二个Y型电容，是满足家用电器IEC/EN60335要求的必要元器件。LDM是差分电感器。电路板布局考虑一旦基于LS-R3的特定应用设计完成，就该在PC板上布局外围元器件了。LS-R3核心PC板符合IEC/EN61558、IEC/EN60335和IEC/EN/UL62368的要求，用于插入包含外围元器件的PC板中。外围元器件PC板的两个关键考虑因素是铜印制线的正确尺寸和重量规格，以及需要足够的爬电和间隙距离以满足安全要求。最小的铜线宽度、厚度和重量需要根据所需的载流量和铜的最大允许温升来计算。IPC2221A“印制电路板设计通用标准”提供了关于有机印刷电路板设计要求的信息，包括如何计算铜的规格。当指定爬电距离和间隙距离时，需要考虑IEC60335-1或IEC60950-1。额定电压高达250V单相交流电的家用电器和类似电器涵盖于IEC60335-1，而信息技术(IT)涵盖于IEC60950-1。间隙距离是两个导电部件之间的穿过空气的距离。IEC60950-1是更严格的标准，在150至300V的工作电压时，强化绝缘要求4.0mm的间隙，而IEC60335-1的要求是3.5mm。爬电距离是两个导电部件之间沿表面的最短距离。在这种情况下，IEC60335-1更为严格，在工作电压为250至300V时，强化绝缘要求8.0mm的爬电距离，而IEC60950-1仅要求6.4mm的爬电距离。如果工作电压介于200至250V，这两个标准都要求5mm的爬电距离。预制的PC板虽然外围元器件可能需要定制设计的PC板，但当封装要求不那么严格时，可使用Mornsun提供的预制PC板布局。对于所示的设计实例，Mornsun基于LS05-13BxxR3系列提供了11种预制PC板布局：两种用于基本设计，三种满足B类EMI和3级EMS，三种满足A类EMI和4级EMS，以及三种满足B类EMI和4级EMS。每一种外围PC板布局也都有一个针对该PC板的机械要求而优化的物料清单(BOM)。例如，对于上述符合4级EMS和B类EMI的LS05-13BxxR3解决方案，设计者可以从三种预制的外围PC板布局中进行选择（有相应的BOM）。最小高度优化：长48.5mm，宽32.2mm，高17mm几乎相等的长度和宽度尺寸优化：长40.5mm，宽37.5mm，高23mm最小宽度优化：长55mm，宽25.3m