使用接触冷却式 AC/DC 电源转换器应对苛刻的应用环境

随着电子设备数量的激增，恶劣环境下的功率器件和 AC/DC 转换器模块的设计人员面临着日益严苛的性能、环境和封装要求。虽然连接线路的电源转换器模块的作用没有发生根本改变，但要使其能在现场充分发挥作用，还需要投入更多的工作。

首先是冷却问题，因为即使是高效电源也会发热。然后，设计人员必须考虑系统层面的电气和外形要求。最后，转换器必须能够简化设计导入，能够保护转换器、用户和负载不受不利因素的影响。

本文将简要探讨针对恶劣环境的电源系统设计人员所面临的挑战。然后介绍 Advanced Energy 的 504 W 接触传导冷却式 AC/DC 转换器系列，并说明该系列转换器如何克服这些挑战。

攻克冷却难题，从这里开始

除了极少数例外情况外，将 AC/DC 转换器集成到系统中时，设计人员还必须确定如何散热。尽管现代转换器的效率相对较高，通常可达 80% 至 90% 或更高，但仍会发热，因此必须进行散热以确保电源不会过热，避免影响性能和可靠性。

根据热物理学，有三种散热方式（图 1）：

1. 传导：通过固体表面与固体表面的直接接触进行散热
2. 对流：通过移动的流体散热，其中流体可以是空气或液体
3. 辐射：以电磁能的形式散热（主要是红外线），可在真空中发生

图 1：热能可通过传导、对流或辐射的方式消散。（图片来源：Nuclear Power）

辐射冷却只能传递相对较少的热量，因此，通常情况下不适用于电子系统。然而，对于只能将热量扩散到真空中的航天器来说，辐射是至关重要的冷却方式。

大多数设计者更倾向于使用非强制（自然）或强制风冷（风扇）的冷却策略。在这些冷却策略下，空气通过转换器的开口和通风口进入。这些冷却方法的成本相对较低，也易于评估。

然而，对流冷却方法在许多实际装置中并不可行。转换器必须安装在应用的密封外壳 (IP) 内，以完全防水、防雨、防尘并防止其他污染物。此外，大多数标准转换器的物理布局或包装都不适合传导冷却。

如果只能通过从转换器外壳到邻近表面的热传导来进行冷却，则需要采用不同的设计。这通常被称为接触式冷却或冷壁式冷却。Advanced Energy 的 Artesyn AIF500 电源转换器系列的封装设计（图 2），堪称这种冷却方法的典范应用。

图 2：Artesyn AIF500 电源转换器采用接触或冷壁冷却方式。（图片来源：Advanced Energy）

该器件外形扁平，安装在印刷电路 (PC) 板上。该器件采用行业标准全砖基板封装，外形尺寸为 4.6×2.4 in. (116.84 × 60.96 mm)，高度 0.55 in. (13.95 mm)，重 9.2 盎司 (260 g)。

这些器件主要为满足 5G 电信应用的远程射频头射频电源的要求而设计，还适用于显示器和工业应用。这些器件的平均故障间隔时间 (MTBF) 超过一百万小时。

这种模块采用基板接触冷却设计（图 3），可在 -40°C 至 +100°C 的宽基板温度范围内提供满载额定功率。

图 3：AIF500 模块通过其底板与较冷表面直接接触，进行传导冷却。（图片来源：Advanced Energy）

选择电源转换器

任何电源转换器的选择都以其核心性能要求为出发点，其中包括，在输入电压稳态变化、电压瞬变、负载需求波动以及环境温度变化的情况下，仍能为负载提供稳定的输出电压。

全封装 AIF500 器件的工作电压为 90 V_AC 至 264 V_AC。可选项包括 AIF42BAC-01N（提供固定 12 V/42 A 输出）或 AIF11WAC-01N（48 V/10.5 A 输出）。从启动到全输出的时间为 3.5 秒 (s)，这是许多应用的重要参数；同时，线路调节为 ±0.2%，负载调节为 ±4%。

除了宽范围交流线路输入和稳压直流输出外，AIF500 转换器还集成了欠压锁定 (UVLO)、过压保护 (OVP) 和过流保护 (OCP) 等保护功能。内部浪涌限流最大限度地减少了为防止启动电流浪涌造成损坏而采用的外部电路。

此外，这些转换器还获得了认证，符合相关 EN、UL、加拿大 UL、IEC 和 EN 62368-1 安全标准的要求，并带有 CE 和 UKCA 安全标志。这些转换器之所以能获得这些认证，部分原因在于它们具有 4,000 V_DC 输入到输出、2,500 V_DC 输入到基板以及 100 V_DC 输出到基板的额定隔离电压。

根据法规要求和良好的工程实践，这类器件必须将热负荷降至最低，以实现高效运行。在半额定输出功率或更高功率下工作时，这些转换器的效率可达 90% 以上。例如，在 230 V_AC 线路输入下运行的 12 V 器件，输出功率为 300 W 或更高时，其效率高于 93%（图 4）。输出功率超过 300 W 时，功率因数 (PF) 将高于 0.99，超过了法规要求。

图 4：AIF500 在超过额定负荷一半的条件下工作时，其功率转换效率会高于 90%，从而减少了热耗散并符合法规要求。（图片来源：Advanced Energy）

添加系统级特性和功能

除了两根交流输入线、两根直流输出线和两根远程检测线外，当今的转换器还必须具有其它功能。转换器还必须在系统层面上集成更多的连接和功能。

例如，AIF500 转换器有一个直接的单线“设备良好”输出和一个用于远程启用的 TTL 电平输入。未启用时，其待机功耗为 5 W。这些报告和控制信号只是连接的起点，因为转换器还包括一个 PMBus 接口。

其他功能包括始终保持接通的固定电压辅助输出（8 V_DC 至 11 V_DC，250 mA），可支持小型关键负载。

单模块转换器配置只需要一个外部电磁干扰 (EMI) 滤波器、一个保持电容器和一个输出电容器。

当单个 AIF500 模块的输出电流无法满足应用需求时，该系列模块支持主动均流技术，通过简单的模块间直连即可将单模块配置扩展至最多 10 个并联模块（图 5）。这种并联输出布局只需为第二个模块（以及每个附件模块）添加保持电容器和输出电容器，无需其他元器件。

图 5：单个 AIF500 模块仅需增加几个外部元件即可运行（上图）；如果需要更大的输出电流，最多可并联 10 个（下图）。(图片来源：Advanced Energy）

PMBus 支持使用图形化用户界面 (GUI)。在开发阶段和应用部署期间，GUI 可为设计人员简化一个或多个模块的控制和监控工作。通过 GUI，设计人员能够深入了解电压、电流以及关键运行指标和物理点的状态。

结语

坚固耐用型 AC/DC 转换器首先要设计可靠，但实现充分冷却始终是难点，在暴露式安装的情况下尤为突出。全封闭式 Artesyn AIF500 系列转换器采用接触式冷却，其底板温度最高可达 +100°C。这些设备性能优异，提供 PMBus 接口等附加功能和特性，使其能够用作系统级转换器，并非仅作为基础稳压电源。