【導讀】多年來，AC-DC轉換器已經變得更加高效，尺寸縮小，與電子設備小型化的總體趨勢相吻合。板載AC-DC遵循著相同的道路，但是隨著尺寸的減小和功率密度的增加，安全性和散熱等性能成了問題。
反激設計通常用于低功率
降低板載AC-DC的成本自然會導向器件數量最少的拓撲結構。低于10W時一定會是一個「反激式」轉換器，具備集成功率晶體管和變壓器（更精準地說是耦合電感），每路輸出帶有一個二極管和電容。控制IC直接（初級側調節）或間接（通過光耦合器進行次級側調節）對輸出電壓進行采樣，以脈沖寬度或調頻，或兩者皆有的反饋施加到功率級。通常還有一些額外的濾波器組件將EMI降低到法定水平，而大電容可以為電源中斷的維持時間提供能量，如圖1所示。高壓交流電和輸出之間會形成隔離，隔離是由固體絕緣材料或通過空氣間隙來達成。跨接在隔離兩端的器件如變壓器或光耦，將構成能提供足夠的隔離以滿足國際安全機構的要求
圖1：典型低功率AC-DC轉換器之反激電路
簡單反激拓撲的缺點就是內部電壓可能很高，開關上的電壓通常為600V或更高，某些器件則承受高紋波電流。例如，輸出電容必須承受峰值紋波電流，該電流可能是直流輸出電流的1.5至2倍之高。高紋波電流會在電容的ESR中耗散功率并升高溫度。根據工作模式的不同，初級開關電流的峰值和均方根也可能大到令人驚訝。由于高壓開關具有相對較高的導通電阻，因此會降低效率，功率會在開關和AC電容中產生損耗。
書籍和IC應用筆記有大量的設計數據，即使是新手也能夠為簡單的反激式轉換器選擇器件值，加上只要足夠了解高頻的PCB布局規則和變壓器的構造就不難做出可用的產品。如果尺寸并非主要要求，安全間隙的要求就容易滿足，有足夠的空間讓空氣自由流動散熱。器件可以選擇較大的額定值以確保功能性和EMI性能。幾乎每個手機充電器都可以看到某種反激式拓撲，因此縮小電子設備的體積絕對可行，但是這些產品是需要在有限的溫度范圍內工作，例如0 – 40°C的家庭或辦公室環境。
另一方面，當空間和成本受到限制，或者AC-DC必須在其他設備內部運行時就會變得極具挑戰。如果是工業級應用，可能會有額外的間隙要求來應對潮濕或骯臟的環境，以及要在-40°C到+75°C甚至更高的溫度變化中承受更高的瞬態過電壓。與商用產品相比，輸入電壓范圍可能更寬，同時也期待更高的可靠性和更長的使用壽命。此外，可能還需要考慮高海拔帶來安全性能間隙的影響。
實際設計限制
縮小尺寸的實際限制是最小的安全間距，例如IT和媒體設備的EN 62368-1以及家用電器的EN 60335-1標準要求輸入和輸出之間的最小間距為9mm，而250VAC系統中的最小間距為4mm。這是針對最惡劣的污染程度和材料類別的標準，可以透過封裝設備、帶涂層的PCB以及具有相對漏電起痕指數（CTI）的材料來加以放寬，但它說明了「安全的」默認爬電距離對爬電距離是25mm的轉換器來說沒有實質意義。因此必須仔細設計以充分利用妥協規格，并通過在PCB上開槽或在關鍵組件上添加分隔器或絕緣帽套來確保規范的最小距離要求。
爬電距離和電氣間隙的要求在變壓器中也面臨一些問題。大功率的大型變壓器可以在絕緣擋墻內纏繞標準漆包線，以保證從初級到次級繞組的爬電距離達到6mm。低功率的變壓器，線軸的繞線寬度可能只有幾毫米，這顯然是不行的。解決方案是使用符合安全等級的三重絕緣線（TIW），該電線具有重疊的螺旋纏繞層，保證任何地方都至少有三層絕緣。然而形成EMI屏蔽仍是一個問題，有些設計使用TIW半圈絕緣層，其一端未端接但會經過謹慎的絕緣處理。
難以小型化的器件包括輸入中的大容量存能電容器。它有提供平滑直流總線電壓的功能，并在電源中斷期間提供「維持」所需的能量。常見的專業要求是從115V或230VAC的標稱輸入電壓保持20ms的運行時間（一個主電源周期為50Hz）。例如，電容器在115VAC整流下所看到的電壓平均約為150V，電源頻率紋波約為20V。電源中斷時電容會放電，同時轉換器必須在輸入斷電的情況下持續運行20ms。實際上，轉換器可以在低至70V的電壓下工作，因此如果使用效率為75%的5W輸出轉換器，您可以計算出需要20ms的能量的電容能量損耗：
需要一個18pF的電容，該電容要在400V的額定電壓下獲得最高的AC輸入。鋁電解電容是最小的類型，即使高溫版本也只有約3cm3。適用于許多反激電路要有20ms的維持時間，經驗法則是，對寬輸入范圍的最低要求為2μF/W，對230V標稱電壓則為1μF/W。任何小于此的電容值都會使問題變得更糟因為紋波電壓反而會更大，從而減小了電壓裕度并導致輸出電壓驟降的電源故障。
板載AC-DC轉換器產生的傳導EMI電平接近大功率產品，因為共模噪聲不會隨著功率變化，而是由于內部dV/dt高電平通過雜散電容耦合而產生的，每個設計都會發生。因此簡單的低功率設計可能需要比轉換器本身更大的EMI濾波器才能滿足排放標準。控制IC設計人員使用諧振或半諧振拓撲和技術（如頻率抖動）控制dV/dt來解決該問題，這個技術可以降低標準測量接收機帶寬中的平均EMI。板載AC-DC轉換器通常是一個沒有初級接地的Class II設備，但它們的輸出通常會在實際應用中接地來為共模傳導噪聲提供路徑。初級到次級的Y電容有助于減少高頻干擾，但不能加到太大因為如果輸出未接地，危險的交流電流可能使用戶觸電。某些家用標準（例如EN 60335）要求非常低的電容值并且要串聯兩個Y電容以預防其中一個故障。在微型封裝內安裝兩個串聯電容，同時每個電容在引腳之間都保留足夠的安全爬電距離是非常困難的，通常都讓使用者自行添加以符合EMC標準。
圖2：Class II應用可能需要兩個 Y電容以達到EMI和安全標準
越來越多低功率AC-DC轉換器是由277VAC的標稱電壓、305VAC的峰值供電。這是三相115VAC系統中的線與中性點之間電壓，常在美國和亞洲的大型建筑物中使用。與230VAC系統和更強的器件相比，更高的電壓需要更大的間距和更高的額定電壓器件。例如，大容量電容的最小額定值為450VDC。對小型轉換器來說這增加了空間問題。相同的零件要在480VAC（峰值525VAC）低至85VAC（100VAC系統的最小容限）的條件下工作，這讓要求更加嚴苛。高電壓和極端的輸入范圍增加了器件應力和安全間距的難度，特別是當規格要求小尺寸、低成本又高效的時候！
運行海拔高度有時會被忽略；功率轉換器的電氣間隙標準通常設定在2000m。更高海拔的間隙會大幅增加。例如，根據EN 62368-1標準（圖3），在5000m的高度間隙要乘以1.48倍（這看似極端，但是全球有八個首都的海拔超過2000m）。此外，高海拔地區有許多肺科診所，因此高于2000m的情況很常見，而這增加了小空間設計的難度。
圖3：以海平面為基準的電氣間隙和測試電壓修正系數（來源EN 62368-1）
用于PCB安裝的AC-DC應該要跟其他電路板器件相同的環境下運行，通常無需任何特殊的散熱裝置。我們已經得知高紋波帶來了高損耗，因此產品設計的重點是控制內部溫度，在環境溫度內盡可能提高功率。隨著外殼越來越小，有效的散熱面積也越來越少，讓問題更加復雜。
模塊化解決方案
RECOM接受了設計低成本、工業規格的板載AC-DC轉換器的挑戰。轉換器的系列規格為1W至30W，工作電壓至少為85VAC至264VAC。有些還包括305VAC。5W的產品，RA05-K/480的最高工作電壓為525VAC。轉換器可提供高達5000m的額定海拔高度，最低的工作溫度為-40°C，最高+90°C（降額）。行業領先的新3W轉換器的尺寸為22.5mm x 27.94mm x 18mm，20W版本也僅25.4mm x 50.8mm x 23mm。特別的是，該系列包括圓形封裝的3W、18W和30W。可用于標準、嵌入式、壁掛式安裝，其中超薄型3W部件僅11mm高。該系列中的所有部件均獲得EN 60950或EN 62368 ITE安全認證，大多數有EN 60335家用電器認證，而18W和30W圓形轉換器具有醫療認證以及有線連接。圖4總結了系列規格。
圖4：RECOM板載AC-DC轉換器規格
參考文獻 [1] RECOM: www.recom-power.com
來源：RECOM
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