电源是一种为一个或多个电气负载提供电能的电气设备。其主要功能是通过将来自电源的能量转换为负载所需的相应电流、电压和频率,使电能适配负载。 电源 还通过限制负载电流并在发生故障时将其关断,为所供电的负载提供保护。这些设备还会调节输出功率,以防止电子噪声并提供功率因数校正。

在本文中,我们将介绍不同类型的电源,并探讨为什么 无风扇电源 能够提供最佳性能。

线性稳压器与开关电源(SMPS)

电源主要可分为两大类:线性稳压电源和开关电源(SMPS)。

线性稳压器将交流电(AC)转换为稳定的直流电(DC)。它们使用变压器在高压交流输入和低压直流输出之间提供电气隔离,滤除输入端的噪声,并降低输入交流电压,以便整流输出为直流电压。线性稳压电源的效率较低(30%-60%),这意味着更多的功率损耗和需要散发的热量。

开关电源具有较高的效率(超过80%)和先进的性能。SMPS将输入的电网频率电压转换为高频交流电压,然后使用小型变压器将其降压。随后对电压进行整流、滤波和调节,最终以稳定的直流电压输出。

与线性稳压器相比,SMPS的设计更复杂,成本也更高。然而,与线性稳压器相比,SMPS具有诸多优势,包括体积小,以及在不散发过多热量的情况下实现非常高的效率。

电源效率的重要性

电源效率是总输出功率与输入功率之比的百分数,通常在满载和额定输入电压下进行规定:

例如,如果电源的效率为50%,所需的负载功率为100W,那么总输入功率就需要达到200W。另外50%的输入功率被浪费,主要以热量的形式散失,必须妥善散热以避免损坏设备。这说明了高效率电源的重要性。它们的损耗明显更少,这意味着运行温度更低,并且从电网中消耗更少的电力即可提供相同的输出功率。

电源设备的效率并非恒定不变,因为它取决于环境和负载条件。一般来说,电源在额定负载的50%时效率最高。当供电电压为230V时,电源的效率高于110V交流电供电时的效率。如今,市场上提供的先进型号即使在额定负载的50%-100%范围内也能保持持续的高效率。例如,图1中的曲线图显示了 MEAN WELL UHP-2500系列 在不同供电电压和负载下的效率曲线。 

电源效率不可能达到100%。但是,通过先进的设计和合适的元器件,依然可以实现较高的效率(例如 MEAN WELL UHP-2500 在图1中的效率高达96%)。电源中的损耗由无源元件和有源元件造成,线性电源中的损耗比SMPS更多。SMPS的功率损耗主要发生在开关器件(MOSFET和二极管)中。其他损耗则由电容器和电感器造成(如果使用先进的低电阻元件可以减少这部分损耗,但此类元件通常成本较高)。无源元件损耗包括电阻损耗(I2R)、电容器损耗,以及由磁芯和绕组感应引起的电感器损耗。有源元件损耗则主要是MOSFET和二极管产生的导通损耗和开关损耗。

尽管SMPS的成本可能更高,但其高效率可以节省电费开支。它们也更加可靠,噪声更小,所需的散热也更少。SMPS采用高品质元器件,例如开关器件、重型电容器和性能优良的扼流圈。它们能够输出纹波更低、噪声更小、发热更少的电压,并提供更好的电压调节性能。

电源散热方法

电源会产生热量,可能损坏电路中的元器件。因此,电源需要配备散热系统以散发多余的热量。以下是最常用的导热或散热方法:

1. 自然气流 是一种简单的对流散热方法,空气自然流动并将热量从设备中带走。自然气流是一种简单、低成本的散热方案,不需要额外的机械元件。由于这种散热方式的散热能力较低,采用它的电源在安全工作温度范围方面会受到限制。
2. 强制风冷 采用一个或多个风扇来改善自然气流,从而允许更高的工作温度。由于风扇会消耗额外的电力,因此会降低电源的效率。风扇还需要定期维护和更换。这种散热方式并不适用于空间有限的应用场合。
3. 散热片 通过与较冷的元件直接接触来传导热量,这类元件可以是带散热片的散热器,也可以是不带散热片的冷板。带散热片的散热器与空气接触的表面积更大,因此散热速度更快。它通常与强制风冷结合使用,以获得更好的散热效果。然而,散热片需要更多的空间,这在某些应用中限制了其使用。冷板是较厚的金属板,用于将热量从设备中导出。它们适用于对简洁性和空间要求较高的应用场合。
4. 液冷 由内嵌管路的冷板组成,管路中循环流动着闭环冷却液。冷却液有助于使底板保持非常稳定的温度,从而尽可能提高传热效率。由于无需使用风扇,液冷方式不会占用太多空间。液冷具有出色的散热能力,不会产生噪声和振动,并能延长电源的使用寿命。然而,由于设计更加复杂,液冷的成本也更高。液冷通常用于工业激光器或充电站等发热量较高的应用场合。

液冷电源可以设计为具有非常高的输出功率。例如,MEAN WELL的液冷电源 PHP-3500系列最高可输出3,500W的功率。它们还具有主动均流功能,最多可支持四台并联,输出高达14,000W。

下方视频对比了MOSFET和电容器在液冷与强制风冷条件下的温度差异。与强制风冷相比,液冷条件下的温度要低6-18°C。

尽管成本较高,但对于不适合采用强制风冷的应用而言,液冷电源是最有效的解决方案。在许多应用中,应避免使用强制风冷,因为为电源添加风扇会降低其可靠性、增加成本、产生噪声,并带来维护方面的麻烦。

无风扇电源(例如下方图2中的MEAN WELL UHP-2500)可以避免风扇故障问题,并降低维护成本。无风扇电源也适用于需要绝对安静的环境。

电源与电源管理

电源管理是每个电子系统中的重要功能,因为它负责控制、调节和分配系统所需的直流电力。电源管理会影响系统的可靠性、性能和成本。

先进的电源配备了可编程电压和电流(PV/PC)功能,可通过外部直流控制信号将输出电压在50%-120%之间、输出电流在20%-100%之间进行调节。此外,它们还可以配备通信协议(例如PMBus或CANBus),以实现智能电源。一般来说,电源输出调节主要有两种方式:外部模拟信号接口和数字控制接口。

外部模拟信号接口控制技术利用外部电压来控制电源的输出电压。模拟电源稳定可靠,但灵活性有限。虽然可以监测状态,但控制通常仅限于每个参数对应一种可能的反应。外部模拟电压输入通常在1-5V范围内。通过施加外部电压,输出电流可在额定电流的20%-100%范围内进行调节。图3展示了利用外部直流电压进行输出电流调节的示意图。

数字控制可以获取高水平的信息,并实现更灵活的输出。下表列出了数字化电源设计的优势:

目前应用最广泛的电源数字控制通信协议是PMBus(电源管理总线)。PMBus是一种开放标准的电源管理协议,能够简化设计并降低数字控制电源系统的复杂性。CANBus(控制器局域网络)是另一种通信协议。它能够实现PMBus协议的大部分命令和功能,两者之间的主要区别在于信号传输方式。选择CANBus还是PMBus取决于具体应用的需求。对于已集成PMBus的产品,MEAN WELL还提供可选的CANBus型号。

内置PMBus协议的电源可让终端系统监测和控制电源的各种工作参数,例如电压、电流和温度。无风扇电源与PMBus协议相结合,可大幅提升使用寿命可靠性和安装灵活性,从而实现更紧凑、更智能的终端系统。例如,PHP-3500支持最高100kHz总线速度的PMBus,可实现信息读取、状态监测和输出调节。

要了解有关无风扇电源和电源管理优势的更多信息,请查阅 MEAN WELL UHP和PHP系列电源。

 

本文由OnlineComponents.com赞助发布。所有观点均为作者本人观点。——Edis Osmanbasic