低功耗设备AC/DC 电源设计解决方案

　　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/EN55032 B 类级别 EMI（辐射）和 IEC/EN61000 EMS（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 10 W 的功率输出，尺寸为 28 x 14.73 x 11 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/EN55032 B 级的 EMI，IEC/EN61000-4-4 ±4 千伏 （kV） 电气快速瞬变 （EFT），以及 4 级 EMS 的 ±2 kV 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 305 V AC（或 70 至 430 V DC），但个别应用的工作电压为特定的电网电压，如 110、230 或 277 V AC，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 12 V DC，电流为 420 毫安 （mA），当用于工作于 277 V AC 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 305 V AC。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 3 W 转换器，如输出为 3.3 V DC 的 LS03-13B03R3，直到输出为 24 V DC 的 10 W LS10-13B24R3。所有三个系列（3、5 和 10 W）都提供输出电压为 3.3 至 24 V DC 的型号。下面讨论的设计实例基于 LS05-13BxxR3 系列 5 W 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）、3 W 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）、450 V 的 450BXW22MEFR12.5X20；以及一个基本的输出滤波电容，如 Nichicon RS81C271MDN1，额定为 270 微法 （µF） 和 16 V（图 2）。

　　这种基本的实现方式符合 EMS 3 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 305 V AC 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 EMS 3 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 47 μF 和 35 V）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 0.1 μF、630 V 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±4 kV 以及 ±2 kV 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 ±4 kV 以及 ±2 kV 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。IPC 2221A“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 IEC 60335-1 或 IEC 60950-1。额定电压高达 250 V 单相交流电的家用电器和类似电器涵盖于 IEC 60335-1，而信息技术 （IT） 涵盖于 IEC 60950-1。

　　间隙距离是两个导电部件之间的穿过空气的距离。IEC 60950-1 是更严格的标准，在 150 至 300 V 的工作电压时，强化绝缘要求 4.0 mm 的间隙，而 IEC 60335-1 的要求是 3.5 mm。

　　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，IEC 60335-1 更为严格，在工作电压为 250 至 300 V 时，强化绝缘要求 8.0 mm 的爬电距离，而 IEC 60950-1 仅要求 6.4 mm 的爬电距离。如果工作电压介于 200 至 250 V，这两个标准都要求 5 mm 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 48.5 mm，宽 32.2 mm，高 17 mm

　　几乎相等的长度和宽度尺寸优化：长 40.5 mm，宽 37.5 mm，高 23 mm

　　最小宽度优化：长 55 mm，宽 25.3 mm，高 23 mm

　　结论

　　各种应用和 EMC 级别的电源设计人员都面临着相似的成本、能效、尺寸和上市时间的挑战。为了有效竞争并尽量减少库存，设计人员需要能够采用预先设计的核心模块，并能轻松地进行定制以满足特定要求。

　　如图所示，LS-R3 系列板安装多应用 AC/DC 转换器促进了这种快速定制，以满足各种 EMC（包括 EMI 和 EMS）要求，最高可达 B 类 EMI 和 4 级 EMS 性能。此外，预制 PC 板的可用性保证了使用正确的铜线尺寸和所需的爬电距离和间隙距离。