如何设计耐用型电源

电源用于各种困难和苛刻的环境。然而，现代电源的“坚固性”是主观的。例如，足够坚固且能够承受高海拔环境的电源可能不具备承受海洋环境所需的条件。那么，在没有标准定义的情况下，如何获得所需的耐用型电源呢？

无论您的规格是半页文档还是 30 页长的文档，在采用耐用型电源设计时，都有问题要问，也有标准要考虑。找到合适的设计和制造合作伙伴也会有所帮助。

最终，需要耐用型电源的工程师需要在四个关键领域定义他们的要求：

1. 机械

2. 环境的

3. 电气

4. 使用寿命长

耐用型电源设计的机械方面

一般来说，关于电源的机械性能，应该问三个关键问题：

1. 设备在其生命周期内是否会受到明显的振动或冲击？

2. 该装置是否需要金属外壳来防止各种危险？

3. 电源将如何保持连接，或者设备将如何物理插入？

振动和冲击：面临剧烈振动或冲击的电源可能需要封装在环氧树脂等材料中。液态树脂固化后，该装置会变成砖状。如果您的应用需要不同类型的灌封胶，聚氨酯可能是一个合适的替代品。

在不太严重的应用中，用铆接胶粘剂代替密封胶可能是正确的选择。铆接胶粘剂通过最大限度地减少振动和减少引线上的压力来保护电子元件。通常，这些胶粘剂用于电源印刷电路板组件 （PCBA） 中较高的元件，例如电容器、变压器或其他无源元件和磁性元件。

金属外壳：大多数电源都安装在金属或塑料外壳中。塑料通常更轻、更便宜，但金属外壳往往具有更强的抗冲击性，尤其是对于终端速度高的物体。如果您正在设计必须防弹的电源装置，则可能需要一个厚实的钢制外壳。如果您需要抵御大冰雹，那么不同厚度的不同类型的金属可能是最合适的。

连接：连接器是配合在一起的机械设备，以便电力可以从电源流向目的地。连接器需要保持在一起，但在恶劣的环境中，它们总是有被拔出的风险。对于坚固的电源，您可能需要具有扭转解锁功能的连接器或其他释放机制。

耐用型电源：环境的产物

耐用型电源的环境考虑因素分为几类：

• 温度

• 湿度

• 盐

• 污染

• 高度

温度：许多电子元件的设计温度范围为 0 至 70°C。 尽管如此，将规格表上的温度范围与您的应用要求进行比较仍然很重要。热漂移是由温度变化引起的行为变化，会影响组件性能，尤其是在高功率应用中。

在电源中，用于存储能量的铝电解电容器在极寒环境中会失去其电气特性。虽然可以使用用于较低温度的铝电解电容器，但它们通常提供的电容较小，这最终会影响电源设计。例如，如果您正在设计一个可以在北极条件下打开相机的杆式电源，那么值得考虑一下。

高温也会导致组件性能出现较大差异。例如，石油和天然气行业需要能够承受高达 150°C 温度的电源。 在某些情况下，这些装置与安装在大型钻头上的印刷电路板 （PCB） 一起使用。当钻头高速钻穿岩石时，会产生摩擦，热量会积聚，这可能会给连接到它们的电源带来问题。

湿度：高湿度会导致湿气凝结在电源的电子设备上。反过来，这可能会产生导电路径，从而导致短路和腐蚀。具有适当通风的密封外壳可以防止湿气进入电源，但您的应用可能需要表面贴装元件的保形涂层。

盐：在海洋环境中，腐蚀不仅会影响电源的内部组件，还会影响其金属外壳。如果铝和其他金属遇到盐水，可能会发生电偶腐蚀。对于这种坚固的应用，可以使用辐照铝，但前提是整个装置都通过盐雾测试。

污染：各种污染物也会影响电源性能。在许多情况下，空气中的灰尘是最大的问题。但是，工业环境可能面临不同的风险。例如，在机械车间中，导电锉屑可能会产生电弧，从而损坏铣床中的电路板。如果电源与动物、导电的毛发和毛皮密切接触，也可能带来风险。

高度：海拔高度也会影响电源的性能，尤其是与冷却有关时。由于空气密度较低，因此对流和强制空气冷却在较高海拔地区效果较差。例如，如果您的产品将在丹佛、科罗拉多州或其他山区使用，这一点很重要。同样，商用飞机或军用飞机中使用的散热器在飞机飞行时而不是在地面上散热效果不佳。

瞬变在耐用型电源中的重要性

坚固耐用的电力电子设备需要一定程度的瞬态保护，即电源输入端电压或电流的突然、短时间变化。它们表现为电源线上的尖峰或低谷，可能是由雷击等事件引起的，这可能导致电压浪涌。这就是为什么在电线杆上安装避雷器的原因，以及为什么在暴风雨经常发生的地方而不是沙漠气候中可以找到更多此类设备。

Bear 电源

坚固耐用的电源通常采用定制配置以及标准配置，例如 Bear Power Supplies BP6 系列。

不过，雷击并不是输入瞬变的唯一原因。它们也可以由感应负载（如电动机）的快速开关触发，甚至由连接到同一电路的其他设备汲取的功率的突然变化触发。

输入瞬变：大多数输入瞬变是由雷击到电源线引起的。这可能会影响建筑物内部的设备，但当电源安装在室外时，甚至更糟糕的是，安装在室外金属杆上，风险会更大。但是，这些瞬变具有非常快的上升时间和较短的持续时间，通常以微秒或毫秒为单位，通常也发生在工业负载快速导通和关闭时。这被称为 “ringing on the line”（响铃在线）。

例如，一名工人突然打开了工厂车间的电焊机。它与配备可编程逻辑控制器 （PLC） 的 CNC 机床位于同一条电源线上。来自电焊机的电流可能会向连接到本机接地的任何东西引入瞬态电压。如果没有足够的电气隔离，PLC 可能会出现故障。

负载瞬变：负载瞬变是电路吸收的电流的突然、短暂的变化。它们会导致电源负载的快速增加或减少，从而可能触发输出电压的暂时波动。一些电源驱动如此大的电容负载，以至于每当它们打开时，似乎都会发生短路。

负载可能会有很大差异，并且在某些情况下会恢复供电。这是工厂车间的一个问题，那里有重型电动机和其他工业级系统。例如，驱动热泵的电机可能需要 50 W 的平均负载。但有时，需要额外的功率 — 高达 75 W — 。有时返回的功率也高达 25 W。

电动机可以充当发电机。当电机的动能转换回电能时，就会发生这一过程，这个过程称为再生。

虽然高压瞬变可能会损坏电源中的功率晶体管和二极管，但大电流浪涌会导致电路故障，需要使用保护机制。

使用寿命：耐用型电源的使用寿命是多久？

大多数工程师都希望电源设计经得起时间的考验，但它们真的必须持续多长时间呢？通常，应用程序类型决定了“长寿命”的含义。例如，许多消费品预计只能持续五年左右。相比之下，医疗保健行业使用的医疗设备和其他设备预计可以使用 10 年或更长时间。工业产品需要更长的使用寿命，通常为 15 年以上。

国防和航空航天电子设备内部的电源对“长寿命”也有不同的定义。许多军用级电源必须坚固耐用，但其他电源可能只需要持续执行一次单向任务。相比之下，汽车和其他运输系统的核心电源可能一次必须持续数十年。例如，许多控制列车信号的继电器已经使用了 50 多年。

您为电源选择的组件也有自己的使用寿命。例如，在笔记本电脑中，风扇通常提供冷却。随着时间的推移，风扇会磨损，过滤器可能会堵塞。至于电源中的铝电解电容器，它们的使用寿命很少超过 15 年——即使电源单元设计保守也是如此。

定义电源的“耐用型”取决于应用

最后，电源设计人员需要按照自己的方式定义“坚固耐用”。没有一个普遍认可的定义 — 使一个装置坚固耐用的特性在另一种情况下可能并不合适，或者在不同的应用中可能不成比例。但是，通过选择合适的电源制造商并与他们合作进行定制设计，您可以获得应对这一挑战所需的帮助。