Een ingebouwde voeding selecteren

Een veel voorkomende behoefte is het selecteren van een interne AC-DC voeding voor een eindproduct in het bereik van enkele tot enkele honderden watts. Aan de onderkant kan een externe voeding of 'adapter' een alternatief zijn, maar boven de 100W is het normaal om te kiezen voor een ingebouwd product als een gekochte module, misschien op chassis of PCB gemonteerd. De dapperen zouden zelfs een intern ontwerp kunnen overwegen, vooral als de vereiste prestaties niet standaard zijn.

Waarom intern?

Laten we eerst eens kijken waarom er voor een interne voeding kan worden gekozen. Voor commerciële producten houden consumenten niet van omvangrijke in-line 'adapters', maar bij een laag vermogen is een 'muurwrat' geen grote belasting en naarmate de technologie vordert, wordt er meer kracht uit kleinere verpakkingen geperst, in de mate dat de adapter is nauwelijks groter dan de stekker zelf. Het gebruik van een externe voeding is ook een plezier voor de productontwerper - gevaarlijke spanningen worden buiten gehouden, waardoor de certificering van de veiligheid van het eindproduct veel eenvoudiger wordt.

De nadelen zijn dat de kabellengte van een adapter naar het product de spanning verlaagt, waardoor misschien extra regelaars in het product nodig zijn en er meestal geen mogelijkheid is voor 'slimme' besturing van de voeding, zoals uitschakelen naar 'slaapstand' of dynamische aanpassing van de uitgangsspanning. Een ander probleem is dat de algehele naleving van de EMI-normen nog steeds de verantwoordelijkheid is van de fabrikant van het eindproduct, dus een adapter met zijn productievariabiliteit en onbepaalde kabelloop moet worden opgenomen in EMC-tests en kan inconsistente resultaten opleveren. Om deze reden is het niet onbekend dat in-line adapters intern op eindproducten worden gemonteerd voor eenvoudigere veiligheid en EMI-compliance.

Bij hogere vermogens, of wanneer besturing en functionaliteit belangrijk zijn, heeft een interne of ‘apparatuur’ voeding de voorkeur. De beslissing moet zo vroeg mogelijk in het productontwikkelingsproces worden genomen, aangezien het een veel voorkomende (en vaak terechte) klacht is van systeemenergietechnici dat ze een ingebouwde voeding moeten kopen die past 'in de ruimte die er nog is'. Dit kan leiden tot compromissen op het gebied van kosten en prestaties en in het slechtste geval de behoefte aan een aangepaste oplossing met bijbehorende vertragingen en risico's.

Veiligheid, EMC en naleving van de milieuwetgeving staan ​​voorop

Een ingebouwde voeding moet de benodigde volt en ampère leveren, maar er zijn veel andere overwegingen. Misschien wel de belangrijkste zijn veiligheid, EMC en naleving van het milieu - het eindgebruik van het product is hier de gids; er gelden verschillende normen voor een scala aan toepassingen:industrieel, huishoudelijk, test- en meet-, medisch en gebouwautomatisering bijvoorbeeld. Als het product moet worden gebruikt in gespecialiseerde gebieden zoals het spoor of het leger, zijn de normen weer anders. Zelfs binnen toepassingsgebieden zijn er variaties - patiënt- of operatoromgevingen in de medische sector bijvoorbeeld.

Een trend is dat nieuwe veiligheidsnormen 'gebaseerd op gevaren' zijn, waardoor een fabrikant moet nadenken over hoe zijn product kan worden misbruikt; het selecteren van een interne voeding zorgt er in ieder geval voor dat er geen ongeschikte adapter wordt ingewisseld. De selectie van de juiste certificeringen is uiterst belangrijk en complex, maar gerenommeerde leveranciers van voedingen kunnen vaak helpen als een ervaren interne compliance-engineer niet beschikbaar is.

Mechanica is misschien de volgende overweging, niet alleen vorm en grootte, maar ook connectoren en koelinrichtingen. 'Open-frame'-voedingen zijn populair en goedkoop, vaak met optionele afdekkingen die nodig zijn als van een technicus kan worden verwacht dat hij interne toegang tot het product heeft terwijl het wordt gevoed. Een ander alternatief is het DIN-railformaat dat gebruikelijk is in bedradingspanelen (Figuur 1).

Afbeelding 1:Typische interne AC-DC-voedingsopties. (Bron CUI)

Interne voedingsproducten hebben meestal schroefklemmen of plug-in connectoren voor zowel AC-ingangen als -uitgangen, meestal de 'Molex™'-stijl. In dit geval moeten kabels, klemmen, zekeringen, schakelaars en alle chassisconnectoren geschikt en gecertificeerd zijn voor de toepassing. Interferentie kan heel goed worden opgepikt op AC-ingangskabels buiten de voeding, maar intern in het product, dus EMI-tests kunnen aantonen dat er een extra, op het chassis gemonteerd gecertificeerd filter nodig is in de buurt van de voedingsingang.

Aarding heeft bijzondere aandacht nodig; als de stekker van de voedingsmodule in het product is losgekoppeld, moet er nog steeds een aparte aarding zijn naar het chassis van de apparatuur bij de ingang voor het geval er een stroomdraad losraakt. Over het algemeen mogen alle aardverbindingen niet 'inplugbaar' zijn, tenzij door het loskoppelen van de connector de spanningvoerende verbindingen tegelijkertijd en volledig van het product worden verwijderd. Als dit niet het geval is, moet de grond worden geaard door een 'permanente' bevestiging die alleen met gereedschap kan worden losgemaakt en een borgring of een andere antitrillingstechniek bevat. Kleurcodering en dikte van de bedrading moeten natuurlijk worden nageleefd volgens de toegepaste veiligheidsnorm, waar nodig met trekontlasting van de kabel.

Inlaatzekering voor interne voedingen moet zorgvuldig worden gedimensioneerd

Interne voedingen met bedrade AC-aansluitingen op een chassisconnector moeten een geschikte enkele of dubbele zekering bij de ingang hebben, naargelang het geval. Onthoud dat een AC-zekering van het eindproduct stroomopwaartse kabels en verbindingen beschermt, niet de interne voeding, tegen kortsluiting en overbelasting. Het moet zeker de normale bedrijfsstroom doorstaan ​​met enige marge voor inschakelstroom, maar het moet ook worden beoordeeld zodat de externe AC-bekabeling naar het eindproduct niet overbelast wordt voordat de zekering opengaat na een kortsluiting naar massa tussen de chassisconnector en de voeding leveren. Zelfs als de externe kabel geschikt is voor zeer hoge stromen, moet de onderbrekingswaarde van de zekering lager zijn dan die van een stroomopwaartse zekering of stroomonderbreker, om een ​​storing te voorkomen waardoor meerdere circuits worden losgekoppeld, dat wil zeggen de juiste 'coördinatie' van de zekering - een kritieke zorg in professionele omgevingen (Figuur 2).

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 2:Zekeringwaarden in een systeem moeten 'gecoördineerd' zijn:waarde Zekering 1> Zekering 2> Zekering 3. (Bron CUI)

Alles bij elkaar genomen, hebben de besproken overwegingen met betrekking tot de AC-verbinding invloed op de keuze van de interne voeding, waarbij het goedkoopste open frame-type niet noodzakelijk de goedkoopste totale systeemkosten oplevert als het slechts marginale EMC-conformiteit heeft en extra filtering vereist is.

De koelmethode bepaalt het type voeding

Koeloverwegingen zijn belangrijk; interne voedingen kunnen ventilator, natuurlijke convectie of grondplaatgekoeld zijn, afhankelijk van het eindproduct en de toepassing ervan. Ventilatoren kunnen in sommige omgevingen, zoals medische omgevingen, om geluidsredenen of in toepassingen waar vervanging moeilijk zou zijn, worden uitgesloten, maar ventilatorgekoelde voedingen zullen over het algemeen kleiner zijn dan andere typen. Als een ventilatorgekoelde toevoer wordt gekozen, moeten de inlaat- en uitlaatluchtpaden zorgvuldig worden geïdentificeerd om 'dode hoeken' van lucht te voorkomen, vooral als er andere systeemventilatoren in bedrijf zijn. Fabrikanten zoals CUI bieden aanbevolen luchtstroomrichtingen en ventilatorformaten in de datasheets voor hun producten; hiermee moet rekening worden gehouden bij het ontwerpen van de voeding in een systeem (Figuur 3).

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 3:Aanbevelingen voor ventilatorgrootte, richting en afstand moeten worden overwogen om 'dode hoeken' in de lucht te voorkomen. (Bron CUI)

Convectiegekoelde voedingen zijn oriëntatiegevoelig en moeten worden geplaatst met inachtneming van andere warmtegenererende componenten om wederzijdse oververhitting te voorkomen. Fabrikanten kunnen de arrangementen van het eindproduct niet voorspellen, dus zullen voedingen beoordelen op een 'werkende' omgevingstemperatuur. Dit is de 'lokale' omgevingstemperatuur binnen de behuizing van het eindproduct die aanzienlijk heter kan zijn dan de buitentemperatuur en die alleen nauwkeurig bekend zal worden door simulatie en/of meting in een compleet systeem onder gedefinieerde belastingscondities.

Grondplaatgekoelde voedingen zijn ook beschikbaar voor gesloten behuizingen en nemen de onzekerheid uit het warmtestroompad. Wel moet er een platte ‘cold wall’ aanwezig zijn, met meerdere bevestigingen aan de voeding. Een thermische verbinding moet mogelijk worden gebruikt op het grensvlak met siliconen warmteoverdrachtsvellen, een andere mogelijkheid.

Bij het dimensioneren van voedingen en hun koelingsbehoeften, is het de moeite waard om na te gaan welk continu- en piekvermogen nodig is. Soms kan een kleinere, goedkopere voeding worden gebruikt als deze een hoog piekvermogen heeft en de belasting intermitterend is.

Deskundigen kunnen uw keuze begeleiden

Er is een ruime keuze aan interne voedingen beschikbaar en welke het beste is hangt van veel overwegingen af. Om de kosten en het risico zo laag mogelijk te houden, moet het type voeding zo vroeg mogelijk worden geïdentificeerd, rekening houdend met de naleving van de normen, de toepassing, de koelomgeving en het gemak van integratie in de bekabeling en mechanica van het eindproduct.

Verwante inhoud:

• Een externe voeding selecteren
• Hoe USB Type-C verwarring over de voedingsadapter van consumenten kan verminderen - en wereldwijd e-waste kan verminderen
• Combineren van stroom- en datakabels, deel 1
• USB Type-C en power delivery 101 – Power delivery protocol
• Bekabelde dataverbindingen gebruiken om veeleisende IoT-apparaten van stroom te voorzien
• Uitdagingen voor draadloos stroomontwerp in voertuigen oplossen

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.