Hvordan velge en innebygd strømforsyning

Vanligvis er det et behov for å velge en intern AC-DC strømforsyning for et sluttprodukt i et område fra noen få til flere hundre watt. I den lave enden kan et alternativ være en ekstern forsyning eller “adapter”, men over 100W er det normalt å velge et innebygd produkt, som en innkjøpt modul, kanskje chassis- eller kretskortmontert. De modige kan til og med vurdere et innomhus design, spesielt hvis ytelsen som kreves er ikke-standard.

Hvorfor intern?

La oss først se på hvorfor en intern strømforsyning skulle velges. For kommersielle produkter er ikke forbrukere spesielt glade i store adaptere, men ved lav effekt er en «veggvorte» ikke noe stort problem, og etter hvert som teknologien utvikler seg og det presses mer kraft ut av mindre pakker, blir adapteren knapt større enn selve veggkontakten. Bruk av ekstern forsyning kan også gi  kortvarig lykke hos produktdesigneren - farlige spenninger holdes utenfor, noe som gjør sikkerhetssertifisering for sluttprodukter mye enklere. Ulempene er at kabellengden fra et adapter til produktet senker spenningen, noe som kanskje krever ekstra regulatorer i produktet, og det er vanligvis ingen mulighet for "smart" styring av strømforsyningen, for eksempel avstenging til "hvilemodus" eller dynamisk justering av utgangsspenningen. Et annet problem er at overordnet overholdelse av EMI-standarder fortsatt er produsenten av sluttproduktet sitt ansvar, så et adapter med produksjonsvariasjoner og ubestemt kabelløp må inkluderes i EMC-testing og kan gi inkonsekvente resultater. Av denne grunn er det ikke uvanlig at adaptere monteres internt i sluttprodukter for lettere sikkerhet og EMI-samsvar.

Velg tidlig

Ved høyere effekter, eller når styring og funksjonalitet er viktig, foretrekkes en intern eller «utstyrs-» strømforsyning. Beslutningen bør tas så tidlig som mulig i produktutviklingsprosessen, ettersom det er en vanlig (og ofte berettiget) misnøye fra systemteknikere om at de må skaffe en innebygd strømforsyning som passer på «den plassen som er igjen». Dette kan føre til kostnads- og ytelseskompromisser og i verste fall behov for en tilpasset løsning – med tilhørende forsinkelser og risiko.

Sikkerhets-, EMC-, og miljøkrav i første rekke

En innebygd strømforsyning må levere spenningen og strømmen som trengs, men det er også mange andre hensyn. Kanskje det viktigste er sikkerhet, EMC og miljøsamsvar – sluttproduktets anvendelse utgjør selve veiledningen her: Forskjellige standarder gjelder for en rekke bruksområder: industri, husholdning, test og måling, medisinsk og bygningsautomasjon som eksempler. Hvis produktet skal brukes i spesialiserte områder som jernbane eller forsvar, er det igjen andre standarder. Selv innenfor applikasjonsområder er det variasjoner – pasient- eller operatørmiljøer innen medisinsk for eksempel. En trend er at nye sikkerhetsstandarder skal være ”farebaserte”, noe som forplikter en produsent til i tillegg å vurdere hvordan deres produkt kan bli misbrukt; valg av intern strømforsyning sørger i det minste for at et upassende adapter ikke byttes inn. Valget av riktige sertifiseringer er ekstremt viktig og komplisert, men anerkjente strømforsyningsleverandører kan ofte hjelpe hvis en erfaren intern regulativingeniør ikke er tilgjengelig.

Mekanisk utforming

Mekanikk vil kanskje være neste vurdering, ikke bare form og størrelse, men også kontakter og kjøleoppsett. Strømforsyninger med åpen ramme er populære og rimelige, ofte med valgfrie deksler, som er nødvendige hvis en tekniker kan forventes å ha intern tilgang til produktet mens det er strømsatt. Et annet alternativ er DIN-skinneformat som er vanlig i koblingspaneler (figur 1).

Terminaler og kontakter

Interne strømforsyningsprodukter har vanligvis skrueterminaler eller plug-in-kontakter for både vekselstrøminngang og -utgang, vanligvis Molex-typen. I dette tilfellet må kabler, terminaler, sikringer, brytere og eventuelle chassiskontakter være klassifisert og sertifisert for applikasjonen. Forstyrrelser kan godt bli plukket opp på inngangskabler for vekselstrøm utenfor strømforsyningen, men internt i produktet, slik at EMI-tester kan vise at det er behov for et ytterligere chassismontert sertifisert filter nær strøminntaket. 

Jording

Jording krever spesiell oppmerksomhet; Hvis kontakten til strømforsyningsmodulen er koblet fra inne i produktet, må det fremdeles være en separat jording til utstyrsrammen ved inntaket i tilfelle en strømførende ledning løsner. Generelt sett skal ikke jordforbindelser være "pluggbare" med mindre frakoblingen av kontakten fjerner strømførende forbindelser samtidig og helt fra produktet. Hvis dette ikke er tilfelle, må jordingen skje med et «permanent» feste som bare kan løsnes med et verktøy og inkluderer en låseskive eller annen vibrasjonsdempende teknikk. Fargekoding og måling av ledninger må selvsagt følges i samsvar med den anvendte sikkerhetsstandarden, med kabelstrekkavlastning der det er nødvendig.

Dimensjonering av inngangssikringen  

Interne strømforsyninger med kablede vekselstrømtilkoblinger til en chassiskontakt må inneholde en passende enkel eller dobbel sikring ved inntaket etter behov. Husk at sluttproduktets AC-sikring beskytter kabler og tilkoblinger oppstrøms, ikke den interne strømforsyningen, fra kortslutning og overbelastning. Sant nok må den slippe gjennom den vanlige driftsstrømmen med en viss margin, men den bør også klassifiseres slik at den eksterne AC-kabelen til sluttproduktet ikke blir overbelastet før sikringen åpnes etter en kortslutning til jord mellom kabinettkontakten og strømforsyningen. Selv om den eksterne kabelen tåler svært høye strømmer, bør sikringen være lavere i bruddverdi enn noen oppstrøms sikring eller bryter, for å unngå en feil som forårsaker at flere kretser kobles fra, det vil si riktig sikringskoordinering – et kritisk hensyn i profesjonelle miljøer (figur 2). Samlet sett påvirker de diskuterte vekselstrømhensyn valget av intern strømforsyning, der den rimeligste typen med åpen ramme ikke nødvendigvis gir den billigste totale systemkostnaden hvis den bare har marginalt EMC-samsvar, og ekstra filtrering er nødvendig. 

Kjølemetoden bestemmer strømforsyningstype

Hensyn til kjøling er viktig; interne strømforsyninger kan ha vifte-, naturlig konveksjon- eller bunnplatekjøling, avhengig av sluttproduktet og dets anvendelse. Vifter kan være utelukket i noen miljøer, for eksempel medisinsk, av støyårsaker, eller i applikasjoner der utskifting vil være vanskelig. Imidlertid vil viftekjølte strømforsyninger generelt være mindre enn andre typer. Hvis en viftekjølt forsyning velges, må innløps- og avtrekksveierer identifiseres nøye for å unngå dødsoner, spesielt hvis det er andre systemvifter i drift. Produsenter som CUI oppgir anbefalte luftstrømretninger og viftestørrelser i databladene for produktene deres; disse bør vurderes når du designer strømforsyningen til et system (figur 3).   

Konveksjonskjøling

Konveksjonskjølte strømforsyninger er følsomme overfor orientering og bør plasseres med hensyn til andre varmegenererende komponenter for å unngå gjensidig overoppheting. Produsentene kan ikke forutsi hvordan sluttproduktene vil se ut, og oppgir derfor et driftstemperaturområde for omgivelsene. Dette er da den «lokale» omgivelsen i sluttproduktkapslingen, som kan være betydelig varmere enn den eksterne temperaturen, og kan bare finnes nøyaktig gjennom simulering og/eller måling i et komplett system under definerte belastningsforhold.

Baseplatekjøling

Bunnplate- eller baseplate-avkjølte forsyninger er også tilgjengelig for forseglede kapslinger, og gir mindre usikkerhet når det gjelder varmeflyten. En flat «kald vegg» må imidlertid være tilgjengelig, med flere festepunkter på strømforsyningen. Det kan være nødvendig å bruke en termisk forbindelse i grensesnittet, med silikonbaserte varmeoverføringsplater som en annen mulighet.

Kontinuerlig-/toppeffekt

Ved dimensjonering av strømforsyninger og deres kjølebehov, er det verdt å sjekke hvilken kontinuerlig- og toppeffekt som kreves. Noen ganger kan en mindre, billigere strømforsyning brukes hvis den har høy overspenningseffekt og belastningen er periodisk.

Få hjelp av eksperter 

Det er et bredt utvalg av interne strømforsyninger tilgjengelig, og hva som er best er avhengig av mange hensyn. For minimale kostnader og risiko, bør strømforsyningstypen identifiseres så tidlig som mulig med hensyn til samsvar med standarder, anvendelse, avkjølingsmiljø og enkel integrering i sluttproduktets kabling og mekanikk. Med et komplett utvalg av produktalternativer, kan CUI gi ekspertveiledning innen alle disse områdene.