如何設計耐用型電源
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電源用于各種困難和苛刻的環(huán)境。然而，現代電源的“堅固性”是主觀(guān)的。例如，足夠堅固且能夠承受高海拔環(huán)境的電源可能不具備承受海洋環(huán)境所需的條件。那么，在沒(méi)有標準定義的情況下，如何獲得所需的耐用型電源呢？
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202503/468198.htm無(wú)論您的規格是半頁(yè)文檔還是 30 頁(yè)長(cháng)的文檔，在采用耐用型電源設計時(shí)，都有問(wèn)題要問(wèn)，也有標準要考慮。找到合適的設計和制造合作伙伴也會(huì )有所幫助。
最終，需要耐用型電源的工程師需要在四個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域定義他們的要求：
機械
環(huán)境的
電氣
使用壽命長(cháng)
耐用型電源設計的機械方面
一般來(lái)說(shuō)，關(guān)于電源的機械性能，應該問(wèn)三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：
設備在其生命周期內是否會(huì )受到明顯的振動(dòng)或沖擊？
該裝置是否需要金屬外殼來(lái)防止各種危險？
電源將如何保持連接，或者設備將如何物理插入？
振動(dòng)和沖擊：面臨劇烈振動(dòng)或沖擊的電源可能需要封裝在環(huán)氧樹(shù)脂等材料中。液態(tài)樹(shù)脂固化后，該裝置會(huì )變成磚狀。如果您的應用需要不同類(lèi)型的灌封膠，聚氨酯可能是一個(gè)合適的替代品。
在不太嚴重的應用中，用鉚接膠粘劑代替密封膠可能是正確的選擇。鉚接膠粘劑通過(guò)最大限度地減少振動(dòng)和減少引線(xiàn)上的壓力來(lái)保護電子元件。通常，這些膠粘劑用于電源印刷電路板組件 （PCBA） 中較高的元件，例如電容器、變壓器或其他無(wú)源元件和磁性元件。
金屬外殼：大多數電源都安裝在金屬或塑料外殼中。塑料通常更輕、更便宜，但金屬外殼往往具有更強的抗沖擊性，尤其是對于終端速度高的物體。如果您正在設計必須防彈的電源裝置，則可能需要一個(gè)厚實(shí)的鋼制外殼。如果您需要抵御大冰雹，那么不同厚度的不同類(lèi)型的金屬可能是最合適的。
連接：連接器是配合在一起的機械設備，以便電力可以從電源流向目的地。連接器需要保持在一起，但在惡劣的環(huán)境中，它們總是有被拔出的風(fēng)險。對于堅固的電源，您可能需要具有扭轉解鎖功能的連接器或其他釋放機制。
耐用型電源：環(huán)境的產(chǎn)物
耐用型電源的環(huán)境考慮因素分為幾類(lèi)：
溫度
濕度
鹽
污染
高度
溫度：許多電子元件的設計溫度范圍為 0 至 70°C。 盡管如此，將規格表上的溫度范圍與您的應用要求進(jìn)行比較仍然很重要。熱漂移是由溫度變化引起的行為變化，會(huì )影響組件性能，尤其是在高功率應用中。
在電源中，用于存儲能量的鋁電解電容器在極寒環(huán)境中會(huì )失去其電氣特性。雖然可以使用用于較低溫度的鋁電解電容器，但它們通常提供的電容較小，這最終會(huì )影響電源設計。例如，如果您正在設計一個(gè)可以在北極條件下打開(kāi)相機的桿式電源，那么值得考慮一下。
高溫也會(huì )導致組件性能出現較大差異。例如，石油和天然氣行業(yè)需要能夠承受高達 150°C 溫度的電源。 在某些情況下，這些裝置與安裝在大型鉆頭上的印刷電路板 （PCB） 一起使用。當鉆頭高速鉆穿巖石時(shí)，會(huì )產(chǎn)生摩擦，熱量會(huì )積聚，這可能會(huì )給連接到它們的電源帶來(lái)問(wèn)題。
濕度：高濕度會(huì )導致濕氣凝結在電源的電子設備上。反過(guò)來(lái)，這可能會(huì )產(chǎn)生導電路徑，從而導致短路和腐蝕。具有適當通風(fēng)的密封外殼可以防止濕氣進(jìn)入電源，但您的應用可能需要表面貼裝元件的保形涂層。
鹽：在海洋環(huán)境中，腐蝕不僅會(huì )影響電源的內部組件，還會(huì )影響其金屬外殼。如果鋁和其他金屬遇到鹽水，可能會(huì )發(fā)生電偶腐蝕。對于這種堅固的應用，可以使用輻照鋁，但前提是整個(gè)裝置都通過(guò)鹽霧測試。
污染：各種污染物也會(huì )影響電源性能。在許多情況下，空氣中的灰塵是最大的問(wèn)題。但是，工業(yè)環(huán)境可能面臨不同的風(fēng)險。例如，在機械車(chē)間中，導電銼屑可能會(huì )產(chǎn)生電弧，從而損壞銑床中的電路板。如果電源與動(dòng)物、導電的毛發(fā)和毛皮密切接觸，也可能帶來(lái)風(fēng)險。
高度：海拔高度也會(huì )影響電源的性能，尤其是與冷卻有關(guān)時(shí)。由于空氣密度較低，因此對流和強制空氣冷卻在較高海拔地區效果較差。例如，如果您的產(chǎn)品將在丹佛、科羅拉多州或其他山區使用，這一點(diǎn)很重要。同樣，商用飛機或軍用飛機中使用的散熱器在飛機飛行時(shí)而不是在地面上散熱效果不佳。
瞬變在耐用型電源中的重要性
堅固耐用的電力電子設備需要一定程度的瞬態(tài)保護，即電源輸入端電壓或電流的突然、短時(shí)間變化。它們表現為電源線(xiàn)上的尖峰或低谷，可能是由雷擊等事件引起的，這可能導致電壓浪涌。這就是為什么在電線(xiàn)桿上安裝避雷器的原因，以及為什么在暴風(fēng)雨經(jīng)常發(fā)生的地方而不是沙漠氣候中可以找到更多此類(lèi)設備。
不過(guò)，雷擊并不是輸入瞬變的唯一原因。它們也可以由感應負載（如電動(dòng)機）的快速開(kāi)關(guān)觸發(fā)，甚至由連接到同一電路的其他設備汲取的功率的突然變化觸發(fā)。
輸入瞬變：大多數輸入瞬變是由雷擊到電源線(xiàn)引起的。這可能會(huì )影響建筑物內部的設備，但當電源安裝在室外時(shí)，甚至更糟糕的是，安裝在室外金屬桿上，風(fēng)險會(huì )更大。但是，這些瞬變具有非?？斓纳仙龝r(shí)間和較短的持續時(shí)間，通常以微秒或毫秒為單位，通常也發(fā)生在工業(yè)負載快速導通和關(guān)閉時(shí)。這被稱(chēng)為 “ringing on the line”（響鈴在線(xiàn)）。
例如，一名工人突然打開(kāi)了工廠(chǎng)車(chē)間的電焊機。它與配備可編程邏輯控制器 （PLC） 的 CNC 機床位于同一條電源線(xiàn)上。來(lái)自電焊機的電流可能會(huì )向連接到本機接地的任何東西引入瞬態(tài)電壓。如果沒(méi)有足夠的電氣隔離，PLC 可能會(huì )出現故障。
負載瞬變：負載瞬變是電路吸收的電流的突然、短暫的變化。它們會(huì )導致電源負載的快速增加或減少，從而可能觸發(fā)輸出電壓的暫時(shí)波動(dòng)。一些電源驅動(dòng)如此大的電容負載，以至于每當它們打開(kāi)時(shí)，似乎都會(huì )發(fā)生短路。
負載可能會(huì )有很大差異，并且在某些情況下會(huì )恢復供電。這是工廠(chǎng)車(chē)間的一個(gè)問(wèn)題，那里有重型電動(dòng)機和其他工業(yè)級系統。例如，驅動(dòng)熱泵的電機可能需要 50 W 的平均負載。但有時(shí)，需要額外的功率 — 高達 75 W — 。有時(shí)返回的功率也高達 25 W。
電動(dòng)機可以充當發(fā)電機。當電機的動(dòng)能轉換回電能時(shí)，就會(huì )發(fā)生這一過(guò)程，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為再生。
雖然高壓瞬變可能會(huì )損壞電源中的功率晶體管和二極管，但大電流浪涌會(huì )導致電路故障，需要使用保護機制。
使用壽命：耐用型電源的使用壽命是多久？
大多數工程師都希望電源設計經(jīng)得起時(shí)間的考驗，但它們真的必須持續多長(cháng)時(shí)間呢？通常，應用程序類(lèi)型決定了“長(cháng)壽命”的含義。例如，許多消費品預計只能持續五年左右。相比之下，醫療保健行業(yè)使用的醫療設備和其他設備預計可以使用 10 年或更長(cháng)時(shí)間。工業(yè)產(chǎn)品需要更長(cháng)的使用壽命，通常為 15 年以上。
國防和航空航天電子設備內部的電源對“長(cháng)壽命”也有不同的定義。許多軍用級電源必須堅固耐用，但其他電源可能只需要持續執行一次單向任務(wù)。相比之下，汽車(chē)和其他運輸系統的核心電源可能一次必須持續數十年。例如，許多控制列車(chē)信號的繼電器已經(jīng)使用了 50 多年。
您為電源選擇的組件也有自己的使用壽命。例如，在筆記本電腦中，風(fēng)扇通常提供冷卻。隨著(zhù)時(shí)間的推移，風(fēng)扇會(huì )磨損，過(guò)濾器可能會(huì )堵塞。至于電源中的鋁電解電容器，它們的使用壽命很少超過(guò) 15 年——即使電源單元設計保守也是如此。
定義電源的“耐用型”取決于應用
最后，電源設計人員需要按照自己的方式定義“堅固耐用”。沒(méi)有一個(gè)普遍認可的定義 — 使一個(gè)裝置堅固耐用的特性在另一種情況下可能并不合適，或者在不同的應用中可能不成比例。但是，通過(guò)選擇合適的電源制造商并與他們合作進(jìn)行定制設計，您可以獲得應對這一挑戰所需的幫助。
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