עמידה בסטנדרטים בינלאומיים עם יחס עלות-תועלת מיטבי באמצעות ספקי-כוח AC/DC‏ מורכבים על לוחות

ספקי-כוח AC/DC‏ מורכבים על לוחות מ- 3 עד 20 וואט משמשים במגוון גדל והולך של יישומים, כולל אינטרנט של דברים (IoT‏) ו- אינטרנט של דברים תעשייתי (IIoT‏), Industry 4.0‏, אוטומציה תעשייתית, ציוד אור-קולי, ציוד טכנולוגיית מידע (ITE) ), בתים/בניינים חכמים , מוצרים לבנים ומכשירי חשמל לצרכנים. אמנם זה יכול להיות מפתה לנסות לתכנן ספקי כוח AC/DC בהספק נמוך, אך התהליך מורכב יותר וגוזל זמן יותר מכפי שזה נראה במבט ראשון. התכנים צריכים לעמוד בדרישות ביצועים מאתגרות, כולל תחומי מתחי כניסה רחבים, הספקת-כוח שיא וצפיפות הספק גבוהה. הם גם חייבים להיות מורשים לתקנים בינלאומיים רבים בנושאי בטיחות, נצילות, הספק אופן-המתנה ותאימות אלקטרומגנטית (EMC).

במקום זאת, המתכננים יכולים להשתמש בספקי-כוח AC/DC‏ מורכבים על לוחות שהם מורשים לכל תקני הביצועים הבינלאומיים הרלוונטיים, תוך קיצור זמן היציאה לשוק. ספקי כוח יעילים אלה כוללים תחומי מתחי כניסה רחבים והם יכולים לקבל כניסות AC או DC לטובת גמישות ותאימות כלל-עולמית.

מאמר זה בוחן בקצרה את השיקולים הכלליים של יישום ספק כוח AC/DC. לאחר מכן הוא נותן דוגמאות לשלוש אפשרויות המרת הספק AC/DC בהרכבה על לוחות של סדרת RACxx-K מבית RECOM Power, תוך הדגשת המאפיינים העיקריים והיתרונות של מוצרים ספציפיים ואופן יישומם.

שילובים של ממירי AC/DC‏

ספקי-כוח AC/DC‏ ניתנים לחיבור בטור או במקביל כדי להעניק רמות הספק גבוהות יותר או החלפה-חמה (Hot-Swap) לטובת יתירות (Redundency‏) (איור 1).

איור 1: ניתן לחבר שני ממירי AC/DC בטור עבור מתח גבוה יותר (למעלה) או במקביל לפעולה בזרם גבוה יותר ו/או לפעולת יתירות (למטה). (מקור התמונה: RECOM Power)

ספקי-כוח המחוברים במקביל (התצורה התחתונה באיור 1) יכולים לשמש להספקת זרמים גבוהים יותר או אמינות גבוהה יותר באמצעות יתירות. זרמים גבוהים יותר אפשריים כאשר שני ספקי הכוח פועלים במלוא זרמי היציאה הנומינלייים שלהם או קרוב להם. מתח היציאה אינו משתנה, אך הזרם הזמין מוגבר ומגדיל את הספק היציאה.

תצורות הספקת-כוח יתירות משתמשות בכמה ספקי כוח כדי להגביר את אמינות המערכת, ולא כדי להגדיל את רמת ההספק הזמינה. תצורות יתירות יכולות להיות בכמה אופנים. בטופולוגיה אחת, המערכת מוגדרת למשוך הספק אך ורק מהספקת-הכוח "הראשית" במהלך פעולה רגילה ולעבור אוטומטית לספק-הכוח "גיבוי" במקרה שההספקה הראשית תיכשל.

יתירות N+1 היא טופולוגיה נפוצה נוספת המשמשת להגברת אמינות הספקת-הכוח. מערכת N+1 מורכבת משני ספקי-כוח או יותר. באיור 1, התצורה התחתונה יכולה לשמש כארכיטקטורת יתירות עם 1‏ = "N". במקרה זה, כל אחד מספקי-הכוח פועל ב- 50% מהקיבולת במהלך פעולה רגילה, וכל אחד מהם יכול לספק את העומס המלא אם הספקת-הכוח האחרת תיכשל.

במקום לחבר ספקי-כוח במקביללהגדלת ההספק הזמין, ניתן להגדיל אותו גם באמצעות חיבור ספקי-כוח בטור (התצורה העליונה באיור 1). בדוגמה זו, שני ספקי הכוח הם בעלי אותו מתח יציאה, _O‏V‏, והתצורה הטורית מספקת _O‏V‏ 2‏. מאחר והזרם המועבר לעומס אינו משתנה, הכפלת המתח מכפילה את ההספק האפקטיבי.

שתי התצורות באיור 1 כוללות דיודות ORing לבידוד היציאות של ספקי-הכוח. אם אחד מספקי- הכוח כושל, דיודות ה- ORing מגינות על המערכת מפני תקלה קטסטרופלית. דירוג הזרם של דיודת ה- ORing צריך להיות גדול יותר מדירוג זרם היציאה של ספק-הכוח, ודירוג מתח הפריצה חייב להיות גדול ממתח יציאת ספק-הכוח.

שיקולי כניסת AC/DC‏

אמנם ישנן כמה דרכים לחבר את היציאות של שניים או יותר ספקי-כוח AC/DC ביחד עבור פונקציונליות נוספת, אך לא ניתן לחבר את הכניסות של שני ממירי AC/DC כדי להגדיל את תחום מתחי הכניסה. מסיבה זו ספקי-כוח AC/DC עם תחום מתחי כניסה רחב (הנקרא גם כניסה אוניברסלית) הם יותר ויותר פופולריים. הגנת נתיך היא גם כן שיקול חשוב עבור כניסות ספק-כוח AC/DC (איור 2).

איור 2: בדרך כלל משתמשים בנתיך כניסה אחד (למעלה), אך אם הכניסה אינה מקוטבת, ניתן למקם נתיכים בשני קווי הכניסה (למטה). (מקור התמונה: RECOM Power)

השימוש בשיהוי זמן (הנקרא גם פעולה איטית) מומלץ באופן כללי. ניתן לחבר נתיכים לשני קווי הכניסה אם כניסת ה- AC אינה מקוטבת. ההמלצות הטיפוסיות לגודל הנתיך עבור ספקי-כוח AC/DC חד-פאזיים הם 1.5 אמפר (A) עבור יציאות מתחת ל- 40 וואט, 2‎ A עבור יציאות מעל 40 וואט אך פחות מ- 60 וואט, ו- ‎3 A עבור יציאות של 60 וואט ומעלה.

אם לספק-הכוח AC/DC יש פין הארקה (FG), הוא חייב להיות מוארק לנקודת אדמה בטיחותית. מתח היציאה _OUT‏V- יכול להיות מחובר ל- FG, ובכך לייחס את יציאת _OUT‏V+ להארקה. על המתכננים להגדיר חיברורים קצרים ועבים כדי להבטיח חיבורים מוצקים להפחתה גדולה עוד יותר של הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) (איור 3).

איור 3‏: את מתח היציאה ניתן לחבר להארקה כדי לייחס את היציאה להארקה. (מקור התמונה: RECOM Power)

3 וואט עבור יישומי IoT‏, IIoT ומשקי-בית

עבור מתכנני יישומי IoT‏, IIoT‏ ומשקי-בית הדורשים הספק של 3 וואט, RECOM מציעה את ספק-הכוח AC/DC‏RAC03E-K/277‏ המספק יציאת DC יחידה של 12 וולט מיוצב באופן הדוק (קיימים דגמים אחרים עם יציאות של 3.3 עד 24 וולט DC‏). לספקי-כוח מורשים בינלאומית אלה יש תחום מתחי כניסה רחב ומשופר בין 85 ל- 305 וולט AC או 120 עד 430 וולט DC והם תואמים לדרישות הספקת-כוח אופן-המתנה ErP‏. לסדרת RAC03E-K/277‏ יש הספק יציאה מלא בתחום טמפרטורות פעולה רחב של 30°C- עד 75°C+ (למעט יחידות עם מתח יציאה של 3.3 וולט שלהם הספק מלא עד 70°C‏+) עם קירור טבעי בקונבקציה (איור 4‏).

איור 4‏: לסדרת RAC03E-K/277‏ יש הספק יציאה מלא בתחום טמפרטורות פעולה רחב של 30°C- עד 75°C+ (למעט יחידות עם מתח יציאה של 3.3 וולט שלהם הספק מלא עד 70°C‏+). (מקור התמונה: RECOM Power)

לספקי-כוח אלו יש חתימת-שטח של 1.45 אינץ' על 0.95 אינץ' ופרופיל נמוך של 15.4 מילימטר (מ"מ). בידוד כניסה-ליציאה AC‏ kV‏ 4‏ שלהם הופך אותם למתאימים עבור יישומים ברחבי העולם, והם עומדים בתקנים הבאים:

• UL/IEC/EN62368-1 - מורשים
• CAN/CSA C22.2 No. 62368-1‏ - מורשים
• EN60335-1‏ - בתהליך
• EN62233‏ - בתהליך
• IEC/EN61558-1/2-16‏ - בתהליך
• EN55035‏/EN55032‏ - תואמים

10 וואט עבור אוטומציי תהליכים ובניינים חכמים

יכולת הספק השיא של 140% של ספק-הכוח AC/DC‏ ה- RAC10-05SK/277‏ 5 וולט 10 וואט תומכת בצורכי הספקת-כוח טרנזיינטית של מערכות עם עומס השראותי, עם זרם התנעה גבוה או עומסים לא-ליניאריים כגון יישומי אוטומציית תהליכים בניינים חכמים (איור 5). לספקי-כוח AC/DC‏ המורכבים על לוחות מעגלים מודפסים (PCB) אלו יש הרשאות בטיחות בינלאומיות עבור תקנים תעשייתיים ומשקי-בית כאחד.

איור 5‏: לספקי-כוח AC/DC‏ RAC10-05SK/277‏ 10 וואט יש הרשאות בטיחות בינלאומיות עבור תקנים תעשייתיים ומשקי-בית כאחד. (מקור התמונה: RECOM Power)

דגמי 10 וואט זמינים עם מתח יציאה יחיד מ- 3.3 עד 24 וולט DC, או בגרסות עם יציאה כפולה המספקות 12‏± או 15‏± וולט DC‏. ספקי כוח אלו עומדים בתקן ספקי-הכוח IEC62477-1‏ עם מתח-יתר בקטגוריה III‏ (OVC III) עבור מערכות תעשייתיות המשמשות בהתקנות קבועות, ועבור מקרים בהם אמינות וזמינות הציוד כפופות לדרישות מיוחדות. ספקי-הכוח בהתקנות אלו כוללים בדרך כלל חיבור מחווט קבוע לפאנל פילוג AC‏. בדומה ל- RAC03E-K/277‏ 3 וואט שנידון לעיל, לספקי-כוח AC/DC‏ אלו יש תחום מתחי כניסה אקסטרה-רחב של 85 עד 305 וולט AC‏ או 120 עד 430 וולט DC‏.

ספקי-כוח 20 וואט עם צריכת-הספק ללא-עומס אולטרה-נמוכה

מתכנני התקנים חכמים והתקני IoT‏ יכולים ליהנות מהיתרונות של סדרת RAC20-K 20 וואט של מודולי AC/DC‏. לדוגמה, גרסת RAC20-48SK‏ מייצרת יציאת DC של 48 וולט עם 40 מיליוואט (mW) בלבד של צריכת הספק ללא-עומס ביישומי תמיד-פועל ואופן המתנה. לספקי-כוח אלו יש תאימות אופן-המתנה Lot 6‏ ErP‏. הם זמינים עם תחום מתחי כניסה רחב של 85 עד 264 וולט AC‏, ותחום כניסות אקסטרה-רחב אופציונלי של 85 עד 305 וולט או 120 עד 370 וולט. גרסות מותאמות של ספקי-כוח אלו עומדות בתקן ספקי-הכוח IEC62477-1‏ OVC III‏. ספקי-כוח אלו להרכבה על לוחות מעגלים מודפסים זמינים עם מתחי יציאה יחידה מ- 5 עד 48 וולט DC‏, או בגרסות עם יציאה כפולה המספקות 12‏± או 15‏± וולט DC‏. לספקי-כוח אלו יש נצילות גבוהה, מעומס קל ועד לעומס מלא, כמוצג בגרף עבור גרסת RAC20-05SK‏ 5 וולט (איור 6‏).

איור 6‏: גרף הנצילות לעומת עומס היציאה עבור סדרת RAC20-05SK‏ (דגם יציאה 5 וולט) מציג את הנצילות מעומס קל ועד לעומס מלא. (מקור התמונה: RECOM Power)

ספקי-הכוח AC/DC‏ RAC20-48SK‏ תואמים לדרישות פליטות מולכות EN 55022‏ Class B‏ ללא כל סינון נוסף. יש להם תחום טמפרטורות פעולה של 40‎°C- עד 85°C+, והם מגיעים עם הרשאות בטיחות בינלאומיות עבור ציוד תעשייתי, אור-קולי וטכנולוגיות מידע, כולל (* = בתהליכי אישור עבור דגמי כניסה אקסטרה-רחבה):

• IEC/EN62368-1 - מורשה
• UL62368-1 - מורשה
• CAN/CSA-C22.2 No. 62368-1-14‏ - מורשה
• IEC/EN60335‏ - מורשה *
• IEC/EN61558-1‏ - מורשה *
• IEC/EN61558-2-16‏ - מורשה *
• IEC/EN61204-3‏ - תואם *
• EN55032/14‏ - תואם *
• EN55024‏ - תואם *

שתי יציאות מתוך יציאה יחידה

כפי שצוין לעיל, סדרת RAC03E-K/277‏ 3 וואט זמינה רק עם תכן יציאה יחידה. ספקי-הכוח AC/DC‏ RAC10-05SK/277‏ 10 וואט ו- RAC20-48SK‏ 20 וואט מוצעים עם יציאה יחידה ועם יציאה כפולה. עם זאת, תצורות היציאה הכפולה מוגבלות ל- 12‏± או 15‏± וולט DC. ביישומים מסוימים, ייתכן שיהיה צורך בצירוף שונה של מתחי יציאה. במקרים אלו המתכננים יכולים לשלב ספק-כוח AC/DC‏ יציאה יחידה עם ממיר DC/DC‏ בהספק נמוך יותר או מייצב ממותג כדי לספק מתח יציאת עזר, או פס יציאה שלילית (איור 7‏).

איור 7‏: ניתן לשלב מייצב ממותג (R-78xx מבית RECOM, למעלה) או ממיר DC/DC‏ (למטה) עם ספק-כוח AC/DC‏ כדי לייצר מתח יציאת עזר (למעלה), או פס מתח שלילי (למטה). (מקור התמונה: RECOM Power)

עוד סינון EMI‏

לכל ספקי-הכוח AC/DC‏ סדרת RAC מבית RECOM שנידונו במאמר זה יש מסנן קו מובנה העומד בתקן פליטות מולכות EN 55022‏ Class B‏. ביישומים תובעניים יותר עשוי להיות צורך בסינון נוסף. כאשר מוסיפים מסנן חיצוני, יש להשתמש בטופולוגיית חיווט כוכב-הארקה מרכזית, והכבל בין המסנן החיצוני לממיר צריך להיות קצר ככל האפשר (איור 8).

איור 8‏: ספקי-הכוח AC/DC‏ סדרת RAC מבית RECOM עומדים בתקן פליטות מולכות EN 55022‏ Class B‏. ניתן להוסיף מסנן חיצוני במידת הצורך. (מקור התמונה: RECOM Power)

סיכום

הצורך בהספקת-כוח AC/DC‏ בהספק נמוך בהרכבה על לוחות ממשיך לגדול, אך הם נותרים מערכות מורכבות. אם המתכנן אינו בקי היטב בניואנסים של תכני הספקת-כוח, בדיקות ותאימות רגולטורית, התכנון שלהם מאפס יכול לגזול זמן ולהוסיף עלות, לעכב לוחות זמנים לתכנון ולקחת יותר מקום על הלוח מכפי שצריך.

אפשרות טובה יותר במקרים רבים היא לבחור מתוך מספר ספקי-כוח AC/DC קומפקטיים מן-המדף להרכבה על לוחות. כפי שהוצג, אלה מגיעים במגוון רחב של תחומי מתחי כניסה ויכולים לקבל כניסות AC או DC. בנוסף, הם עשויים כבר להיות מורשים לכל תקני הביצועים הבינלאומיים ולתקנות התאימות הרלוונטיים.

קריאה מומלצת

1. מדריך לבחירה ושימוש במקורות הספקת-כוח עבור IoT ו- IIoT