在嚴峻的應用中，使用接觸冷卻式 AC/DC 電源轉換器

電子裝置數量不斷激增，設計人員在設計嚴峻環境中的電源裝置和 AC/DC 轉換器模組時，在效能、環境、封裝的要求持續增加，是一大挑戰。雖然線路連接式電源轉換器模組基本的作用不變，但若要在現場充分發揮效用，還需要符合更多條件。

首先是冷卻問題，因為即使是高效率的供應器也會發熱。接著，設計人員必須考慮系統級的電氣和外形尺寸要求。最後，轉換器必須要能簡化導入設計，並且有能力保護轉換器、使用者、負載免受負面事件影響。

本文簡要討論在設計嚴峻環境中的電源系統時，設計人員會面臨的挑戰。接著介紹 Advanced Energy 的一系列 504 W、接觸傳導式冷卻 AC/DC 轉換器，並展示因應這些挑戰的方式。

冷卻挑戰

大部分情況下，設計人員將 AC/DC 轉換器納入系統時，必須決定如何消散生成的熱量。就算現代轉換器的效率相對較高，通常為 80% 到 90% 或更高，但仍會產生熱量，必須進行散熱以確保電源不會過熱，影響效能和可靠性。

熱學中包含三種散熱方式 (圖 1)：

1. 傳導：由兩個固體表面之間直接接觸
2. 對流：由流動的流體 (氣體或液體) 進行
3. 輻射：由電磁能量 (主要是紅外線) 進行，在真空中也可進行

圖 1：熱能可以透過傳導、對流、輻射消散 (圖片來源：Nuclear Power)

輻射冷卻通常不適用於電子系統，因為僅可傳遞相對少量的熱量。然而，對太空船而言，輻射可將熱量散逸至真空狀態的太空中，因此非常重要。

大多數設計人員傾向於使用非強制 (自然) 對流或風扇強制氣流為初始冷卻策略，讓空氣穿過轉換器裝置中的開口和通風口。這種冷卻方法相對便宜且容易評估。

然而，在許多實際的安裝中無法採用對流冷卻。轉換器必須密封於侵入防護 (IP) 等級的應用外殼內，以完全防止水、雨水、灰塵或其他污染物侵入。此外，大多數標準轉換器在實體上並沒有針對傳導冷卻進行配置或封裝。

因此，若要採用傳導冷卻，需要採用不同的設計，必須獨立從轉換器外殼與相鄰表面進行，這通常稱為接觸冷卻或冷壁冷卻。以 Advanced Energy 的 Artesyn AIF500 電源轉換器系列的封裝設計 (圖 2) 為例。

圖 2：Artesyn AIF500 電源轉換器使用接觸或冷壁冷卻 (圖片來源：Advanced Energy)

這些薄型裝置安裝在印刷電路 (PC) 板上。具有產業標準全磚底板，覆蓋區為 4.6 × 2.4 in、高度為 0.55 in (116.84 × 60.96 × 13.95 mm)、重量為 9.2 oz (260 g)。

主要針對 5G 電信應用的遠端無線電頭 RF 電源供應器需求所設計，也適用於顯示器和工業應用。其平均故障間隔時間 (MTBF) 超過一百萬小時。

這些模組設計透過其底板進行接觸冷卻 (圖 3)，並能在 -40°C 至 +100°C 的寬廣底板溫度範圍內，提供完整額定功率。

圖 3：AIF500 模組以其底板與較冷的表面直接接觸，進行傳導冷卻 (圖片來源：Advanced Energy)

選擇電源轉換器

選擇任何電源轉換器時，首要條件為符合其核心效能要求。包括在穩態變化下 (線路電壓、電壓暫態、負載要求變化、環境溫度變化)，能為負載提供一致輸出電壓的能力。

完全密封的 AIF500 裝置，其工作範圍介於 90 V_AC 至 264 V_AC 。品項包括 AIF42BAC-01N ，其固定輸出為 12 V/42 A ，或 AIF11WAC-01N，為 48 V/10.5 A 。從啟動到全輸出的時間為 3.5 s，這是許多應用中的重要參數；線路調節率為 ±0.2%，負載調節率為 ±4%。

AIF500 轉換器除了具備寬廣的交流線路輸入和良好調節的直流輸出之外，還具有欠壓鎖定 (UVLO)、過壓保護 (OVP)、過電流保護 (OCP) 等保護功能。內部湧入電流限制能大幅減少為了防止啟動電流突波造成損壞所需的外部電路。

此外，這些轉換器經過認證，符合相關 EN、UL、加拿大 UL、IEC 和 EN 62368-1 安全標準，並含 CE 和 UKCA 安全標章。具有多重隔離額定值：4,000 V_DC 輸入至輸出、2,500 V _DC 輸入至底板、100 V_DC 輸出至底板，是能獲得這些認證的原因之一。

要符合監管要求和優良的工程實作必須盡量降低熱負載，以取得高效率運作。這些轉換器以半額定輸出功率或更高功率運作時，可提供 90% 以上的效率。例如，由 230 V_AC 線路運作的 12 V 裝置，輸出功率為 300 W 或更高時，效率超過 93% (圖 4)。超過 300 W 時，功率因數 (PF) 超過 0.99，超出監管要求。

圖 4：AIF500 在超過額定中等負載運作時，電源轉換效率高於 90%，可降低熱耗散，滿足監管要求 (圖片來源：Advanced Energy)

添加系統級特點和功能

如今，轉換器的功能不僅是兩條交流輸入線、兩條直流輸出線和兩條遙感導線，還必須在系統級整合額外的連接和功能。

例如，AIF500 轉換器具有直接單線「裝置良好」輸出，以及用於遠端啟用的 TTL 位準輸入。未啟用時，其待機功率為 5 W。這些報告和控制訊號只是連線的基本功能，因為這些轉換器還包括 PMBus 介面。

額外功能包含 250 mA 時 _DC 至 11 V_DC 的常開固定電壓輔助輸出，可支援小型關鍵負載。

單一裝置轉換器配置僅需一個外部電磁干擾 (EMI) 濾波器、一個保持電容、一個輸出電容。

若在應用中，單一 AIF500 裝置的輸出電流不足，則可採用主動電流共享，進行簡單的裝置互連，將單一裝置配置擴展至最多十個裝置 (圖 5)。這種並聯輸出佈置只需為第二個裝置 (以及每個附加裝置) 增加保持電容和輸出電容，不需要其他組件。

圖 5：單一 AIF500 裝置僅需幾個外部組件即可運作 (上)；如果需要更高的輸出電流，可輕鬆並聯最多 10 個裝置 (下) (圖片來源：Advanced Energy)

PMBus 允許使用圖形使用者介面 (GUI)。設計人員在開發階段和應用部署期間，可採用圖形使用者介面，簡化一個或多個模組的控制和監控，深入瞭解電壓、電流、關鍵操作指標、實體接點的狀態。

結論

耐用的 AC/DC 轉換器始於強健的設計，如何提供足夠的冷卻一直是一個問題，特別是在暴露的安裝中。全封閉式 Artesyn AIF500 系列轉換器採用接觸式冷卻，底板溫度最高可達 +100°C。 這些裝置提供卓越的效能，並包括額外的功能和特性，例如 PMBus 介面，因此這些轉換器能與系統相容，而不僅僅作為穩壓直流輸出的基本來源。