内部电源的安装注意事项

交流/直流电源可分为两个主要系列之一：内部电源或外部电源。内部电源是将作为组件安装在某些终端设备内的电源;外部电源作为独立的子组件伴随终端设备。内部和外部电源在成功实现电源作为最终系统的一个元素所需的工程工作量方面差异很大。

在系统中设计内部交流/直流电源时，必须考虑有关安装的安全、热和电磁兼容性 (EMC) 影响的几个因素。本文概述了与使用内部电源转换解决方案相对于外部电源转换解决方案相关的注意事项，并提供了实现正确安装的指导。

内部与外部

外部电源为原始设备制造商 (OEM) 提供了内部转换器无法提供的多种优势和便利。因此，使用外部适配器的趋势

使用外部适配器会让电源制造商承担昂贵的安全合规性设计、测试和认证的责任。下游安全超低电压(SELV) 电路的电气危险得到缓解，这意味着 OEM(不一定)需要解决与其设计中的高压电路相关的安全问题。

OEM 还免除了管理其外壳内与电源转换相关的散热的责任。当今最高效的电源转换拓扑仍预计终端设备每消耗 3 瓦功率就会产生大约 1 BTU 每小时的热量;在许多中功率和高功率应用中会产生大量热量。

外部转换器增强了终端设备的可维护性。 OEM 无需派遣技术人员到远程站点来更换外部电源适配器。相反，未经培训的消费者可以方便地更换组件，从而减少系统停机时间和 OEM 服务成本。

电源依赖于磁性元件和散热器的使用，这两种元件都不以体积小或重量轻而著称。将这些又大又重的材料放置在设备本身之外有助于从营销角度使其脱颖而出。

尽管外部电源转换有很多好处，但仍有大量应用从根本上需要实施内部电源。这些应用通常是固定或半永久性安装和/或使用比标准现成外部电源更多的功率，而标准现成外部电源在 350W 以上变得异常稀缺。在这种情况下，外部电源转换的上述好处成为实施挑战。

安全影响

内部电源是组件，而不是独立设备。这意味着产品安全的许多方面取决于其使用方式，而不仅仅是其制造方式。

除非内部电源安装在另一个设备中，否则无法根据许多安全标准条款正确评估内部电源。以IEC 60950-1为例，该标准通常用于评估工业应用电源的安全性。以下条款很难甚至不可能单独使用内部电源进行评估，但确实可能需要在最终应用中进行评估：

· 第 1.5、1.7、3.3 和 3.4 条中有关互连电缆和断开设备使用的部分：

内部电源 I/O 通常由固定在 PCB 上的接头座或端子块组成。安装 PSU 时，需要使用线束将输入和输出端口分别引出至某个标准交流入口并引至 PCB。许多内部 PSU 具有用于警报、控制信号或辅助电源轨的附加端口。所有这些外围连接都需要进行评估，以保证最终组装中的安全。

· 第 2.1 条中有关带电部件可触及性的部分：

内部电源，即使是带有外壳或 U 形通道组件的电源，也无法提供足够的防电击保护。最终产品组装应提供此类保护，防止操作员无意中接触危险电压。使用外部电源时，PCB 周围的塑料外壳可提供这些保护。

· 第 2.6 条中有关接地和连接规定的部分：

I 类内部电源提供了一种将电源的保护接地节点连接到系统的保护接地的方法。一个或多个内部 PSU 的安装孔通常与电源转换电路的保护性接地节点进行电气连接，这样，如果终端设备机箱接地，则使用导电硬件向下安装 PSU 即可完成所需的接地连接。其他常见配置包括输入接头上的接地引脚，或 PCB 上出现的单独接地片。安装需要进行安全评估，以确保这些连接正确(正确的导体尺寸和阻抗、正确的绝缘材料和绝缘颜色等)。

· 第 2.10 条中有关爬电距离、间隙距离以及绝缘的部分：

在内部电源的安全评估中充分考虑了第 2.10 条。但是，在安装过程中必须注意不要损害这些合规性项目。 PSU 靠近附近导体可能会降低有效爬电距离和间隙距离。考虑以下假设情况，其中光耦合器用于将输出电压数据传输到功率转换器初级侧的控制卡。

在此示例配置中，光耦合器桥接了初级和次级之间的安全间隙(图 1)。当通孔引线突出到 PCB 底部时，高压引线和 SELV 引线在 FR4 下方由 7 毫米的空气隔开。此配置符合 60950-1 6 毫米间隙要求。

图 1此示例配置显示了内部 PSU 安装中的间隙距离。

如果使用(位置不当的)机械螺钉将外部物品固定到机箱(或将机箱固定到其他物体)，则此配置与第 2.10 条的合规性可能会受到影响，如图2所示。请注意，出于爬电距离和电气间隙测量的目的，划分爬电距离和电气间隙距离的未连接导电部件被视为零距离。

图 2机械螺钉可能会影响光耦合器的间隙距离。

突出到机箱中的机械螺钉，尽管没有与任何连接的电气部件接触，但已有效地将光耦合器的间隙距离从 7 毫米减少到 5.5 毫米。因此，该组件不再符合第 2.10 条的规定。这就是 U 形通道组件中的 PSU 指定用于安装 U 形通道的最大螺钉长度的原因之一。虽然突出的机器螺钉是此类安装问题的常见罪魁祸首，但它们并不是安装内部电源时必须考虑的唯一未连接的导电部件。

· 第 4.1 条和第 4.2 条中有关机械稳定性和强度的部分：

确保机械应力不会造成安全隐患的责任落在最终组件身上。内部电源不打算用作独立设备，因此安全机构通常不会评估其独立机械完整性。重要的是最终安装能否很好地承受机械应力并支撑内部 PSU。当然，内部电源必须设计得具有良好的机械性能，这样它们就不会成为最终组装中最薄弱的环节，但相关的安全评估不能在组件级别进行。

· 第 4.6 和 4.7 条中有关外壳开口和防火的部分：

电气设备的封闭方式必须有助于在发生灾难性故障时减轻火灾蔓延。虽然已采取措施确保内部电源设计的方式不会因故障而引起火灾，但在最终组装中仍必须实施防火外壳。

热影响

热量是电源转换器的头号敌人。在高工作温度下，热失控可能导致半导体过热和烧毁，组件温度可能超过适用安全标准允许的温度，并且随着化学过程的加速(特别是电解电容器)，设备的使用寿命可能会迅速缩短。使问题进一步复杂化的是，电源在正常运行时会产生热量。根据公式 1，电源产生的热量与其运行效率相关。

其中 Q d是耗散的热量(以瓦为单位)，P OUT是输出功率(以瓦为单位)，η 是效率。 P OUT和 η 在等式 1 中用类似的下标表示，以明确运行效率随输出 (O) 功率变化而不仅仅是某个固定值。

如果给定组件产生的热量 100% 转移到其环境中(假设结点与环境热阻抗为 0°C/W)，则该组件的温度不会升高。另一方面，如果产生的热量和传递的热量之间存在差异，则设备的温度将根据其热阻抗而升高。内部电源的安装方式必须能够将热量传递到环境中。

大多数标准内部 PSU 旨在通过自然或强制对流促进这种热传递。某些内部 PSU 还可能提供传导路径，通过与某些外部散热器接触将热量从设备中带走。安装电源时，请务必考虑 PSU 制造商指定的冷却要求。对于超低功耗应用(大约 50W 或更低)，应注意确保至少有一条空气流过电源转换器的路径。

如果指定 PSU 在自然对流条件下提供给定量的功率，则意味着有一种方法可以允许在热梯度的影响下在最终组件中发生自然对流。应留有通风口和一定的可用空间，以便空气在温暖的 PSU 组件周围自然循环，从而消除其中的热量。自然对流与完全静止的空气不同，应小心不要“窒息”内部电源转换器。

随着功率水平的增加，自然对流通常不足以去除敏感 PSU 组件的热量。在这种情况下，通常需要强制风冷。强制风冷涉及使用风扇在单位时间内从机柜外部推动或拉出更多的空气穿过热电源组件。通过这些部件的空气越多，散发的热量就越多。如果需要强制风冷，电源制造商应指定每次的体积和实现最佳冷却性能所需的流向。

在某些应用中，由于可闻噪音或缺乏足够的通风，无法部署强制风冷。在这些情况下，必须提供传导路径将热量从敏感的 PSU 组件传递到外界。应该注意的是，并非所有内部电源都设计有利于传导冷却。

有趣的是，电源相对于地球引力的物理方向有时可能是一个重要的热考虑因素。热空气从地球上升，在对流循环中被密度更大、温度更低的空气取代。有时，方向不当的电源会促使热空气流向设计中对热敏感的组件。考虑电源的主开关晶体管(热源)靠近电解电容器(热敏感)的情况。如果可能，应避免将电源放置在电解电容器物理上方的位置(图 3)。

图 3该图显示了物理方向对自然对流换热的影响。

同样，应对外壳内发热和热敏组件的接近度和相对方向进行评估。 PSU 本身既发热又对热敏感。

EMC 影响

EMC 认证有时会给任何系统集成带来挑战，无论 PSU 是内部还是外部。尽管 PSU 制造商努力争取尽可能高的排放裕度，以便为终端设备电路留出空间来发射能量而不导致系统级故障，但对于 OEM 而言，了解兼容的电源并不意味着有足够的空间仍然很重要。始终保证系统级合规性。对于内部电源尤其如此，其中安装决策可能会极大地影响最终系统的辐射和传导发射曲线。常见错误包括功能接地不当和接线松懈。

接地的作用不仅仅是将故障电流从毫无戒心的用户中分流出来。当所需/预期电流进出 PSU 时，接地也是降低不需要的高频 (HF) 能量的好地方。如果开关元件的高频伪影耦合到输入和/或输出线上，它们可能会对辐射和传导发射曲线造成严重破坏。为此，大多数 PSU 设计都采用低阻抗交流路径接地，以应对来自输入和输出导体的高频电流。确保这些路径正确连接是 PSU 安装的关键因素。

当安装硬件尚未用于保护接地功能时，更容易犯功能性接地错误。如果 PSU 没有导电安装，通常仍然需要在所有安装孔之间建立电气连接，因为 PSU 设计通常假设它们是连续的。转换器次级侧的一个或两个安装孔通常电容耦合至 DC+ 和 Return，以将 HF 噪声分流至地，如图4所示。

图 4转换器次级侧的安装孔电容耦合至 DC+ 和 Return，以将 HF 噪声分流至地。

在图 4 中，用户负责保护虚线所示的功能连接。如果这不是通过使用导电安装硬件来实现的，则需要手动将加蔽线连接到每个适用的安装孔。否则，分流路径将变成开路，高频能量将无处可去，只能通过直流线束流出。

即使转换器两侧的分流路径确实正确连接，一定量的 HF 能量仍会进入 I/O 接线。如果需要，可以通过在线束中添加共模电感来改善滤波。无论如何，应注意使 I/O 线路尽可能短，并避免在预计会辐射电磁能的组件附近铺设 I/O 线。

当使用内部电源时，电源设计工作中会引入一系列(尽管很容易缓解)复杂性。在安全、散热和电磁安装考虑因素之间，很多事情都可能出错。当开始使用内部电源的新设计时，或者如果您遇到与现有解决方案的集成问题，请记住这些准则。