電子基礎(chǔ)知識：如何選擇和使用安全電源

    今天，電源用戶面對無數(shù)的選擇，電源產(chǎn)品的眾多性能和電源供應(yīng)商的長的產(chǎn)品規(guī)范說明書，使選購電源成為令頭痛的事情。可喜的現(xiàn)在有很多的工藝標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范，可以幫助工程師選購可靠且安全的電源。
 

安全第一

    電源設(shè)備需要提供隔離功能，從而保證電源設(shè)備的安全性，免受來自高壓饋電線的危險(xiǎn)，是最基本的也是常常容易被忽視的。電源設(shè)備的這種安全性是由電源變壓器實(shí)現(xiàn)的，于是，為了使變壓器能傳送足夠的電力就要求它必須具備相應(yīng)的規(guī)模。

    一臺較大的變壓器通常裝備有散熱器，這樣可以獲得良好的產(chǎn)品壽命。此外，在變壓器的原邊和副邊線圈之間還要使用雙重隔離，從而保證最大的安全性。

可靠性

    人們常常單純要求電源產(chǎn)品的壽命，其實(shí)，影響電源壽命的因素很多，如像平均負(fù)載率、振動(dòng)和周圍的環(huán)境溫度等。其中，環(huán)境溫度很重要，所以排放出由電源內(nèi)部元件所產(chǎn)生的總熱量非常關(guān)鍵。

    因?yàn)殡娫丛O(shè)備制造商并不了解最終用戶的使用條件，所以他們唯一能提供考的壽命性能是電源產(chǎn)品的平均故障間隔時(shí)間MIBF(MeanTimeBetweenFailure)；電源的MTBF值，在任何情況下，都是由電源內(nèi)部的電解電容MTBF之值所決定的。當(dāng)電源設(shè)備里排除掉電容的影響因素時(shí)，其計(jì)算的MTBF可能為10萬小時(shí)或者更長一些。然而，電解電容的典型MTBF之值僅僅是3萬小時(shí)。

    因?yàn)橐恍╇娫丛O(shè)備制備制造商已開發(fā)出他們自己的電源MTBF計(jì)算方法，而且計(jì)算出的MTBF值是比較高的，所以用戶最好使用在MIL-HDBK-217E方式中所定義的MTBF之值，同廠家給定的電源MTBF之值相比較，來正確判斷產(chǎn)品的性能。因?yàn)镸IL-HDBK-217E定義的計(jì)算MTBF方法是已經(jīng)被證實(shí)的并且是廣泛可以接受的，計(jì)算的MTBF值也是可核實(shí)的。

    當(dāng)評價(jià)電源產(chǎn)品的標(biāo)稱壽命時(shí)，電源是否運(yùn)行在額定的滿負(fù)載狀況是評價(jià)電源的另一重要考慮因素。如果電源設(shè)備裝有合適的散熱器而且無熱循環(huán)，在低于滿負(fù)載的情況下且連續(xù)工作，電源就能有更長的壽命。綜合考慮以上因素，建議選型工程師最好依靠MIL-HKBK-217E方法驗(yàn)證電源產(chǎn)品的MTBF之值，確保電源在合適的條件下工作，只要做到這一點(diǎn)，也不必再考慮電解電容的短壽命問題。

功率因數(shù)校正

    電源的另一個(gè)關(guān)鍵性的性能要素是它的功率因素。教科書里定義的功率因數(shù)是加在負(fù)載上的電壓和電流波形之間的相角余弦（若電壓波形與電流波形的相角差為φ,則cosφ便是電源的功率因數(shù)）。當(dāng)加在負(fù)載上的電壓和電流波形相位一致時(shí)(即相角差φ=0),則功率因數(shù)cosφ=1是理想的情況；當(dāng)加在負(fù)載上的電壓和電流波形相角差為90°時(shí)（即φ=90°）,則功率因數(shù)等于零（處于最小值）；通常，電源的功率因數(shù)處于0到1之間，即0≤cosφ≤1，可用百分?jǐn)?shù)表示。

    加在負(fù)載上的電壓和電流波形之間存在相位差導(dǎo)致的結(jié)果之一是供電效率降低，即產(chǎn)生所要求的電力需要輸入更大的電力；導(dǎo)致的另外一個(gè)結(jié)果而且是更嚴(yán)重的后果，那就是電壓和電流的波形差產(chǎn)生過多的高次諧波。大量的高次諧波反饋到主輸入線（電網(wǎng)），造成電網(wǎng)被高次諧波污染成為惡性事故的隱患；同時(shí)，這種高次諧波也會(huì)擾亂控制系統(tǒng)里的敏感低壓電路。

 現(xiàn)有兩種主要的功率因數(shù)校正PFC（PowerFactorCorrection）方法：第一種方法是在輸入端使用簡單的線圈；第二種方法是使用特殊的電子功率因數(shù)校正電路。利用線圈叫作“無源”PFC，利用該方法通常可獲得到0.7～0.8的功率因數(shù)。利用第二種方法（也叫作“有源”PFC）則可產(chǎn)生最少量的高次諧波從而更有效地利用電網(wǎng)提供的電能。有源PFC可產(chǎn)生高于95％的功率因數(shù)，在大型電源里最為有用，因?yàn)楫a(chǎn)生的高次諧波是直接和負(fù)載電流成正比的。例如，在10A乃至更高負(fù)載電流的24Vdc電源里利用有源PFC方法是最適宜的。

    工程師應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，電源具備功率因數(shù)校正功能的重要意義不僅僅是保證電源不輻射或是不傳導(dǎo)所不希望的電噪聲。因此，作為規(guī)劃選型工程師必須尋找符合際規(guī)范的電源產(chǎn)品，這些規(guī)范包括電的發(fā)射規(guī)范EN55011-BtEN55022-B和有關(guān)高次諧波發(fā)射污染電網(wǎng)的規(guī)范EN61000.3.2。

浪涌保護(hù)

    電源里內(nèi)置浪涌保護(hù)功能已是日益流行的性能。許多電源已使用單獨(dú)的浪涌保護(hù)器件，以防高電壓波峰沖擊，如雷電沖擊。

    某些開關(guān)電源現(xiàn)已提供EN61000-4-4和EN61000-4-5所定義的浪涌保護(hù)，這是內(nèi)置的浪涌保護(hù)功能（提供高達(dá)4kV的浪涌保護(hù)），由于不需要外加的抑制器從而縮小了珍貴的面板空間。這種新的國際標(biāo)準(zhǔn)使得工程師容易選擇電源，因?yàn)槔擞勘Ｗo(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化級別早已建立。

過載和短路保護(hù)

    任何電源都具備的重要特性是提供公布的連續(xù)滿負(fù)載能力。更重要的是電源具備某些內(nèi)置的誤差余量或是計(jì)算（考慮）過載情況的容錯(cuò)。一臺好的電源是最低能提供5％的過載保護(hù)，較理想的情況是提供出10％的過載保護(hù)。

    所謂過載情況是指由電源里取出過量的電流，規(guī)劃選型工程師具有兩種選擇。第一種選擇是，當(dāng)電源經(jīng)受到過載情況時(shí)，電源設(shè)備啟動(dòng)暫停電路（hiccupcircuit）。利用這種設(shè)計(jì)，電源設(shè)備可暫停工作，經(jīng)過暫停之后電源力圖再度重新啟動(dòng)持續(xù)工作。當(dāng)過載情況消失，則電源重新啟動(dòng)成功，并又開始正常工作。這種設(shè)計(jì)適用于低電流設(shè)備。

    對于比較大的電源設(shè)備，一種叫作“恒流”供電的方法是過載保護(hù)的較好選擇。在這種情況下，當(dāng)電源一直被迫供應(yīng)出恒定電流時(shí)，則電源設(shè)備降低其輸出電壓。

    短路保護(hù)功能是電源設(shè)備的另一安全性能，這一特性不容忽視。雖說主要目的是安全，但最大優(yōu)點(diǎn)是那時(shí)電源有自動(dòng)復(fù)位特性。這個(gè)特性所提供的保護(hù)時(shí)間可持續(xù)到已經(jīng)查到短路故障。

電源的經(jīng)濟(jì)性和尺寸

    電源的經(jīng)濟(jì)性和幾何尺寸是相關(guān)的。對于最終用戶有幸的是電源的經(jīng)濟(jì)性和幾何尺寸兩方面都有所改善。一些較新的電源產(chǎn)品提供出上述的十足性能，與以往相比，它能以較低的成本獲得比舊的低效率設(shè)計(jì)產(chǎn)品包封尺寸低50％。

    在經(jīng)濟(jì)性和幾何尺寸兩種特性中，常常是更看中幾何尺寸特性。因?yàn)樵谝酝�積累了大量幾何尺寸的技巧，例如利用更小的元件和有效板尺寸。現(xiàn)在，有些最有效的設(shè)計(jì)把散熱器結(jié)合到電源外殼裝配空間里，因此有效地削減了外加散熱器和塑料外殼的空間和成本。

便于使用

    對于電源設(shè)備還有一項(xiàng)附加的共同要求是容易裝配的端接。如今很多電源產(chǎn)品提供形形色色的設(shè)計(jì)特性，諸如最大的裝配靈活性和最低的最終安裝和連接成本。為滿足全球范圍的應(yīng)用，電源流行的性能包括：靈敏且安全的裝配雙列導(dǎo)軌托架（DIN-rail-mountingbracket）、微小外殼設(shè)計(jì)和通用寬度的輸入電壓范圍。電源設(shè)備的其他性能包括如下：前面板裝配輸入和輸出連接，可插入的觸摸可靠的端接部件，易于裝配/替換輸入熔絲和輸出電壓調(diào)整。

    最近有一種新型的電源產(chǎn)品已經(jīng)上市，該產(chǎn)品直接與三相340～480Vac輸入電壓連接，消除了壓降變壓器所要求的成本和空間。最終的結(jié)果是這種新電源產(chǎn)品比用單相電源附加變壓器更有效且成本更低。