全能型高功率密度AC/DC電源是如何產生的？ ——LOF550系列電源設計詳解
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2021-08-20
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AC/DC作為一次電源為用戶的整個系統供電，是保障系統穩定和高效運行的基石。在電力電子領域的不斷發展和創新下，開關電源技術朝向標準化、小型化、高效化、節能環保等方向發展，然而目前的電源市場總體來看，種類繁多，各廠家的設計、制造、服務等能力水平參差不齊，同質化嚴重。五花八門的產品讓人眼花繚亂，這使工程師們難以選到合適的產品。
對于任何電源廠商而言，AC/DC電源的體積、可靠性、EMC性能、適用性等，都不是一個簡單的課題，而要做好一款全能型的電源更是難上加難。
針對這一現狀，金升陽推出精品戰略，在整合多維度的研究成果后，120-550W高功率密度AC/DC電源--LOF系列應運而生。本文以LOF550系列為例，帶您深入了解LOF系列電源的設計要點。
一、創新工藝設計、精益求精
精心優化設計，打造超高功率密度
LOF550系列效率高達94%. 功率密度高達23W/Inch3，滿足1U標準系統應用。充分契合電源產品小型化，便于攜帶的發展方向。
a.設計上采用主動式PFC電路，功率因素高達0.99；采用SiC二極管替代傳統的快速恢復二極管，降低因二極管反向恢復帶來的疊加在MOS上的尖峰電流，提高EMC特性的同時，可以降低MOS管切換損耗，提高效率。（圖1，2）
b.主功率部分采用軟開關設計，原邊MOS實現零電壓導通，降低切換損耗。（圖3.4）
c.輸出采用同步整流設計
用MOS管整流替代二極管整流，利用MOS管較低的Rdson（毫歐級別），大大降低導通損耗，提高效率。
d.平面變壓器設計
市面上常見的繞線方式設計的低壓大電流變壓器往往無法避免采用飛線方式，不僅作業困難，而且增加產品尺寸，影響產品整體外觀。（圖5）
LOF550系列采用平面變壓器設計，輸入采用線餅設計，輸出采用銅片或扁平線設計，風扇供電采用PCB繞組的方式，整個變壓器實現無飛線設計，尺寸大幅縮小，且不需要變壓器骨架，裝配簡單，整體外觀精美。（圖6）
二、安全可靠、保護升級
保護功能齊全，無需外部增設
①產品自帶OCP/OVP/SCP等多種輸出保護功能，讓客戶可放心使用；
②原副邊雙重OTP功能設計，在各種異常條件下均能實現可靠保護。(圖7，圖8）
③低紋波噪聲。整個系列輸出紋波噪聲規格控制在200mv以內.（圖9）
④輸出采用105℃，長壽命，Low ESR電解電容，整機三年質保。
⑤采用特殊焊接工藝，相比傳統的波峰焊工藝，可大幅降低器件過爐后虛焊、補焊比例、提高產品可靠性。
⑥產品自帶PG通訊功能：
a.AC上電時，在電源輸出之后，PG信號延遲啟動，通知客戶系統電源輸出OK；
b.AC下電以及輸出異常保護時，PG信號提前關斷，提前通知客戶系統電源Fail。
三、兼容設計、適用范圍廣
兼容多種系統安裝
目前市面上大部分開板產品，大部分都是無底座設計，這樣就會導致實際客戶系統應用無法完全兼容，遇到沒有凸臺或支撐柱的系統，就無法直接安裝。
LOF550系列在設計上充分考慮客戶系統應用場景，在底部增加絕緣片和金屬底座，金屬底座4個螺絲孔為電源板和客戶系統共用，客戶系統螺釘可深入底板內部3mm用于固定，完美兼容沒有凸臺或支撐柱的系統。（圖10）
Ⅰ類設備和Ⅱ類設備均可使用
電源根據外殼接地和不接地可分為Ⅰ類設備和Ⅱ類設備，輸入端子也分別對應為3pin和2pin，使用起來有局限性. 若采用3pin端子，則Ⅱ類設備采用2pin端子就無法直接兼容。
LOF550系列產品在設計上比較靈活，在采用2pin端子的同時，為客戶預留一個接地插片（圖11）,其中開板產品適用于Ⅰ類設備，衍生配套外殼產品可同時適用于Ⅰ類設備和Ⅱ類設備。
配置拓展外殼封裝
相對于純開板電源設計，應用場景比較單一，為拓展產品應用場景，LOF550系列采用5”×3”標準尺寸，并配套不同類型外殼設計。（圖12，圖13）
寬輸入電壓范圍
全球通用的標準市電范圍為90-264VAC。由于部分地區供電不穩定，電網電壓經常會出現波動超出264VAC的情況，若電源設計不夠可靠，比如大電解電容耐壓過低，就容易出現電源損壞的情況。
相同情況下，高壓電解電容的耐壓越高，尺寸越大。在高功率密度產品中，為了節省空間，常常會妥協采用耐壓相對較低的高壓電解電容，這樣就會大大降低電源產品對電網電壓波動的適應性。LOF550系列兼得高功率密度和耐高壓輸入，采用450V高壓電解電容，安全可靠，可保證305VAC輸入不損壞。（圖14）
增加單獨的5Vsb輔助備用電源和PS_on控制功能，拓展應用
針對高功率密度的產品，目前經常被采用的是一種自帶高壓啟動的主控IC方案，AC上電，產品即有輸出，無其它控制開關，對于有輔助電源待機要求的系統則無法兼容使用。
為增加客戶體驗和產品通用性，LOF550產品在以上常用設計方案的基礎上，增加單獨的5VSb輔助備用電源和PS_on控制功能：
a.AC上電，PS_on信號默認為高電平，可正常輸出
b.PS_on信號接低電平時，主輸出關斷，只有5Vsb輔助電源輸出
四、認證全面、適用多種應用領域
除滿足IEC/EN61000、IEC/UL/EN62368、GB4943外還兼容滿足如下標準：
滿足EN60601醫療行業認證標準
①漏電流低至0.1mA，適用于醫療設備BF類應用
②隔離耐壓和安規距離滿足醫療標準：
優異EMC設計
從電源設計人員的角度來講，醫療電源要求的超低漏電流、高安全距離和耐壓等指標和小型化，高功率密度設計是相互掣肘的，市面上大部分產品會在EMI方面做出讓步，只滿足CLASS A標準，這大大增加了電源產品對醫療設備內部其它功能電路模塊產生干擾的可能性。
LOF550系列EMC裸機，傳導、輻射滿足CLASS B：
a.輸入EMI濾波模塊，PFC模塊和主功率模塊分別集中布局并采用散熱器（接地）巧妙隔離。將EMI干擾降到最低，同時減少EMC部分元器件，優化空間。550W滿功率輸出，輸入整流橋前端，可僅用1級Y電容。（圖15）
b.輸入采用扁平線共模電感設計，全自動化繞線，無交叉重疊，匝間電容小，阻抗平衡好，EMI效果遠超傳統磁環共模電感，且體積小，外觀精美。（圖16）
LOF550-20B12 傳導特性曲線 (接地測試）
LOF550-20B12輻射特性曲線（接地測試）
滿足IEC 60335 家電類認證測試標準--原副邊采用雙Y串連的方式設計。
小結
LOF系列高功率密度電源在設計上始終以安全可靠為前提，在此基礎上充分收集和考慮了不同應用領域以及客戶端不同應用場景的各種常見問題，并采用創新式的思維方式和電路設計，結合前沿的工藝以及結構設計集中解決了一大批應用中的問題和痛點，功能強大，兼容性強，且外觀精美，充分體現了金升陽在電源行業的積累沉淀，我們亦將在此基礎上，將更多研發精力投入到電源技術的突破中，深入解決客戶應用的痛點。
