使用 TDK-Lambda 的 PFH500 電源模組，設計適用於嚴苛環境的電源

隨著工業物聯網 (IIoT) 風潮來襲與 5G 的興起，電子系統開始部署於日益多樣且要求更為嚴格的應用中。對於這類系統的設計人員來說，設計的重點在於確保電源供應器滿足日益增加的可靠性要求。若想滿足這些可靠性需求，不僅需要實體耐用性與電磁干擾 (EMI) 耐受性等特性，還需要在全新的 IIoT 互連模式中內建智慧與連接性能力。

在此模式下，設計人員可以透過自我診斷來降低電源供應器與系統停機時間的影響，同時還可在運作時進行遠端更新、調整和效能監控。

本文將介紹一款可滿足這些需求的解決方案 — TDK-Lambda 的 PFH500 系列電源供應器模組。同時說明在加入 PMBus 後，電源供應器的環境設計如何在最嚴苛的應用環境下，也能提升電源供應器與系統的生存時間並維持效能。

為何使用 PMBus？

PMBus 是一種開放標準電源管理通訊協定，其用來管理數位電源有諸多優點。此標準可增加電源供應器的使用率，並提升其效能和可靠性。例如，此標準可以測量和監控各種電源供應器參數，如每個輸出的電壓與電流、每個輸出級的溫度、每個輸出級的電源良好狀態，以及每個模組的輸出啟用狀態，而無需使用任何外部儀器 (圖 1)。

圖 1：用於監控／更改參數的 PMBus 通訊功能。(圖片來源：TDK-Lambda)

此外，使用者還可以使用 PMBus 的持續測量功能，在重大故障之前預測何時會發生故障，這對 5G 電信、智慧型工廠、資料中心、遠端／不易到達的地點等相關應用至關重要。

TDK-Lambda 的 PFH500 電源供應器特性

PFH500F 系列的覆蓋區為 4 x 2.4 in，採用 ¾ 磚型設計 (圖 2)。此元件可以經過調節的 28 V 輸出電壓來提供 500 W 的電力，電壓可調範圍從 22.4 V 至 33.6 V (±20%)。

圖 2：PFH500F 系列的 AC-DC 電源轉換器採用 ¾ 磚型設計，可以經過調節的 28 V 輸出來提供 500 W 的電力。(圖片來源：TDK-Lambda)

此設計僅使用一個多層 PC 板，且無需使用絕緣的金屬基板，這可降低共模雜訊並消除互連引腳，進而提升可靠性。電源架構採用無橋式功率因數校正 (PFC) 技術和同步整流。氮化鎵 (GaN) 電源元件用來降低損耗和提升效率，使其高達 90% 至 92%，功率密度為 100 W/in³。此電源適合在全球範圍使用，輸入電壓為 85 至 265 V_AC，輸入頻率為 47 至 63 Hz。

基本連接

圖 3 顯示帶外部元件的基本線路圖佈局，其中包含外部輸入 EMI 濾波器。

圖 3：PFH500F 電源模組的基本外部連接包含左邊的外部 EMI 濾波器。 (圖片來源：TDK-Lambda)

如圖 4 所示，此電源非常適合用於傳統與智慧型工廠的嚴苛環境。

圖 4：PFH500F 電源模組可滿足嚴苛環境下的嚴格測試要求。(圖片來源：TDK-Lambda)

測試結果顯示嚴格測試的合格分數，特別是靜電放電 (ESD)、放射性無線電頻率干擾 (RFI) 以及電磁干擾抗擾性等項目。

下垂均流並聯能力

在電源供應器中，額外的壓降 (或稱下垂) 與所用的負載成比例。若為了產生更多功率或共用負載而連接兩個電源供應器，則應當使用 TDK-Lambda 的 PFH500 這類具有並聯能力的型號。額外的壓降與所用的負載成比例，這樣當兩個或更多個電源供應器以並聯方式連接時，即可在電源供應器之間共用輸出負載。如果其中一個並聯的電源供應器嘗試提供更多電流，則其輸出將略微下降，而其他電源則會予以抵消 (圖 5)。

圖 5：PFH500 的下垂模式均流選項可允許其與其他電源並聯工作，以共用負載。(圖片來源：TDK-Lambda)

若想達到最佳效能，則應將所有電源供應器的輸出設定為相同的電壓。在 V_IN = 115/230 V_AC 下，PFH500 (28 V 版) 的負載調節 (無下垂) 是 28 mV，即 0.1%。

底板傳導散熱能力

傳導散熱定義為熱量經由直接接觸從高溫區域傳遞到另一個較低溫度的區域。例如，PFH500 設有一個平坦表面 (底板)，可直接裝至外部的散熱片或冷卻板，並透過直接接觸將熱量帶離電源元件，進而達到冷卻效果 (圖 6)。

圖 6：如圖所示，電源模組 (如 PFH500) 可使用散熱片透過傳導散熱進行冷卻 (圖片來源：TDK-Lambda)

有關冷卻的詳細資訊，請參閱《冷卻功率和其他電子元件之技術》一文。

為設計人員帶來的其他優點

PFH500 還為設計人員提供其他優點，包括：

• 灌封的金屬塗層外殼，可減少輻射的放射量並提升耐衝擊和振動能力
• 內部數位隔離 (光隔離較不可靠)
• 含突波保護的輸入 EMI 濾波器，可預防電源供應器發生故障／中斷
• 內部湧入繼電器與電路，可避免電源供應器損壞
• 遠端感測能力，可透過纜線連接至遠端負載並在此距離內準確地控制電壓
• 內部過溫與過電流保護，可確保可靠性
• VBUS 監控能力，可提供過壓／欠壓保護，確保運作不中斷
• 系統內編程；例如，可由智慧型系統進行此作業
• 安全標準驗證，可增加可靠性

從評估板入手

評估測試板可提供附加優勢，加速產品上市。設計人員可從 TDK-Lambda 取得這些評估板的光繪檔，幫助其最佳化系統的電路板佈局，並將之貼入系統架構的更大設計佈局中。

共有三款 PFH05W 評估測試板：

• PFH05W28-1D0-EVK-S1 評估套件組件，含 PFH500F-28-1D0-R 模組
• PFH05W-001-EVK-S0 評估套件組件，不含電源模組
• PFH05W28-100-EVK-S1 評估套件組件，含 PFH500F-28-100-R 模組

每種套件都含有測試所需的全部外部元件，因而可幫助簡化電源模組的初始評估，加快上市時間。請注意：有負載時，可能需要外部氣流來冷卻模組散熱片。TDK-Lambda 的 HS00110 散熱片能以批量訂購 (圖 7)。

圖 7：PFH05W PFH500F 評估板可加速產品上市，並針對設計人員的特定需求展示效能。評估板可增添外部冷卻功能，例如 HS00110 散熱片 (請見圖)。(圖片來源：TDK-Lambda)

這三款評估板需要可調整的單相 AC 電壓電源 (請參閱每種評估板各自的規格書，以確定此輸入源的適當大小)、0 至 500 V DC 三用電表、恰當的輸出負載 (請參閱各自的規格書，以確定適當的負載大小)，以及可為電路板散熱片提供氣流的風扇。

使用者須知：請確保在進行評估測試板的電氣連接之前，所有輸入與輸出纜線都已斷電。

替代應用

此系列的 AC 輸入至 28 V 輸出電源，也可用於其他惡劣環境，如軍用地面車輛平台或 VMEbus (Versa Module Europa 或 Versa Module Eurocard 匯流排) 等機架安裝式系統使用的商用現貨 (COTS) 電源供應器。此外，PFH500F 系列還可用作電子顯微鏡等產品使用的離子幫浦電源供應器。

結論

PFH500F-28 系列具有良好的基本特性，例如能很好地抵抗 EMI、RFI 及其他雜訊，並可耐受標準電源供應器所不能承受的衝擊、振動與極端溫度，因此非常適合在嚴苛環境下使用。另外，此系列還具有高功率密度、模組化設計及小覆蓋區等特點，可在整體較大的應用中實作緊湊的電源供應器。

若加入 PMBus，則還可實現自我診斷、遠端監控及資料通訊功能，將電源供應器成功整合至 IIoT 預測性分析與維護應用。

其他資源：

1. 《冷卻功率和其他電子元件之技術》