借助 TDK-Lambda 的 PFH500 电源模块，为恶劣环境应用设计电源

鉴于转向工业物联网 (IIoT) 的趋势和 5G 的出现，电子系统开始部署于日益多样且要求更为严苛的应用中。对于这些系统的设计人员而言，重点是要满足系统对电源日益增长的可靠性要求。为了满足这些可靠性要求，物理耐用性和电磁干扰 (EMI) 抑制等特性至关重要，而在工业物联网连接的新范式中内置智能和实现所需的连接性也同等重要。

在这种范式下，设计人员可以通过自诊断来减轻电源和系统停机的影响，同时还可以在运行时进行远程更新、调整和性能监控。

本文以 TDK-Lambda 的 PFH500 系列电源模块为例，针对这些要求介绍了相应的解决方案，阐示了电源环境设计辅以 PMBus 如何改善电源和系统的耐受能力，使其在最恶劣的应用环境中亦能保持性能。

为什么要使用 PMBus？

PMBus 是一种开放标准的电源管理通信协议，用于管理数字电源。借助 PMBus，我们可以完成许多工作。它可以提高电源使用率，提高性能和可靠性。例如，无需任何外部仪器，PMBus 即可测量和监控各种电源参数——比如每路输出的电压和电流、每个输出级的温度和电源正常状态、每个模块的输出启用状态（图 1）。

图 1：用于监控/更改参数的 PMBus 通信功能。（图片来源：TDK-Lambda）

此外，如果在灾难性故障发生之前使用 PMBus 连续测量，那么用户还可以预测故障的发生时间。对于电信 5G、智能工厂、数据中心以及位于偏僻地区/难以够触位置的应用等，这一点相当重要。

TDK-Lambda 的 PFH500 电源特性

PFH500F 系列电源封装为 4 x 2.4 英寸，采用 ¾ 砖尺寸（图 2）。功率可达 500 W，具有 28 V 稳压输出，可调电压范围为 22.4 V 至 33.6 V (±20%)。

图 2：PFH500F 系列 AC-DC 电源转换器采用 ¾ 砖尺寸，功率可达 500 W，具有 28 V 稳压输出。（图片来源：TDK-Lambda）

该电源设计仅采用一块多层印刷电路板，无需绝缘金属基板，以便减少共模噪声，不必使用互连引脚，从而提高可靠性。电源架构采用无桥功率因数校正 (PFC) 技术和同步整流。氮化镓 (GaN) 功率器件用来降低功耗并提高能效，使其高达 90% 至 92%，功率密度可达 100 W/in³。该电源适用于全球范围，输入电压范围为 85 至 265 V_AC，频率范围为 47 至 63 Hz。

基本连接

该电源的基本原理图布局如图 3 所示，其中包括与外部输入 EMI 滤波器等外部元器件的连接。

图 3：PFH500F 电源模块的基本外部连接，包括左侧的外部 EMI 滤波器。 （图片来源：TDK-Lambda）

如图 4 所示，无论对于传统工厂还是智能工厂，该电源都是恶劣环境应用的理想之选。

图 4：PFH500F 电源模块可满足针对恶劣环境的严格测试要求。（图片来源：TDK-Lambda）

测试结果显示了针对各项严格测试的合格等级，尤其是静电放电 (ESD)、射频辐射干扰 (RFI) 和电磁干扰抗扰度。

下垂法均流并行能力

电源的额外电压降（即下垂）与所带负载成正比。当为了产生更大的功率或分担负载而连接两个电源时，应使用 TDK-Lambda 的 PFH500 等具有并行能力的型号。额外电压降与所带负载成正比，因此两个或多个电源并联时，输出负载将由所有电源共同分担。如果其中一个并联电源试图提供更大的电流，那么其输出电压将略微下降，而其他电源则会发挥抵消平衡的作用（图 5）。

图 5：PFH500 的下垂法均流选项使其可与其他电源并联以分担负载。（图片来源：TDK-Lambda）

为了获得最佳性能，所有电源输出都应设置为相同的电压。V_IN = 115/230 V_AC 时，PFH500（28 V 版本）的负载调整率（无下垂）为 28 mV（即 0.1%）。

基板传导冷却能力

传导冷却是指通过直接接触将热量从一个较热的区域传递到另一个较冷的区域。例如，PFH500 具有一个平坦表面（基板），旨在将其直接安装于外部散热器或冷却板上，通过直接接触将功率器件的热量传导出去，从而起到冷却作用（图 6）。

图 6：上图阐示了 PFH500 等电源模块通过散热器进行传导冷却的原理（图片来源：TDK-Lambda）

有关冷却的更多详细信息，请参阅“电源及其它电子器件的冷却技术”。

对设计人员的其他好处

对于设计人员而言，PFH500 还能带来其他好处，包括：

• 采用灌封的涂层金属外壳有助于降低辐射性放射，提高抗振和抗冲击能力
• 内部数字隔离（光电隔离不太可靠）
• 具有浪涌保护的输入 EMI 滤波器可防止电源故障/中断
• 内部浪涌继电器和电路可保护电源免受损坏
• 遥测功能可通过电缆连接实现远程负载的精确电压控制
• 内部过热和过流保护可确保可靠性
• VBUS 监控功能可防止过压/欠压，确保不间断运行
• 在线编程；例如，可通过智能系统实施
• 通过安全标准认证，提高了可靠性

着手使用评估板

借助评估测试板可以缩短产品上市时间，这对项目很有好处。设计人员能够从 TDK-Lambda 获取这些评估板的 Gerber 文件，以帮助他们优化系统的电路板布局，也可将其粘贴到更大的系统架构设计布局中。

PFH05W 评估测试板共分为三款：

• PFH05W28-1D0-EVK-S1 评估套件，配备 PFH500F-28-1D0-R 模块
• PFH05W-001-EVK-S0 评估套件，无电源模块
• PFH05W28-100-EVK-S1 评估套件，配备 PFH500F-28-100-R 模块

这三款套件均包含测试所需的所有必要外部元器件，因而每款都有助于简化电源模块的初始评估，以便缩短产品上市时间。请注意：带负载运行时，可能需要通过外部气流来冷却模块散热器。TDK-Lambda 的 HS00110 散热器可批量订购（图 7）。

图 7：PFH05W PFH500F 评估板可缩短产品上市时间，所具备的性能可满足设计人员的特定需求。评估板可以添加外部冷却，例如 HS00110 散热器（如图所示）。（图片来源：TDK-Lambda）

这三款评估板需要单相交流可调电压源（请分别参阅各款评估板的规格书，确定合适的输入电源参数）、0 到 500 V 的直流万用表、合适的输出负载（请参阅各规格书以了解合适的负载大小），以及为电路板散热器提供气流的风扇。

用户请注意：对评估测试板进行电气连接前，请确保所有输入和输出电缆均已断电。

其他应用

该系列交流输入、28 V 输出的电源也可用于其他恶劣环境，例如用作军用地面车辆平台或 VME 总线 (Versa Module Europa/Versa Module Eurocard bus, VMEbus) 等机架安装式系统的商用现货 (COTS) 电源。此外，PFH500F 系列还可用作离子泵电源，用于电子显微镜等。

总结

鉴于对 EMI、RFI 及其他噪声的高抗扰性以及抗振、抗冲击和耐受极端温度的能力（在这些条件下，可能不宜使用标准电源）等基本特性，PFH500F-28 系列是恶劣环境应用的绝佳选择。此外，该系列电源采用模块化设计和小型封装，功率密度高，因此可以在总体规模较大的应用中用作紧凑型电源。

借助 PMBus，即可实现所需的自诊断、远程监控和数据通信功能，以便将电源成功整合至工业物联网预测分析和维护应用中。

其他资源

1. “电源及其它电子器件的冷却技术”