如何选择和使用电源

今天，电源用户面对无数的选择，电源产品的众多性能和电源供应商的长长的产品规范说明书，使选购电源成为令人头痛的事情。可喜的是现在有很多的工艺标准技术规范，可以帮助工程师选购可靠且安全的电源。

　　安全

　　电源设备需要提供隔离功能，从而保证电源设备的安全性，免受来自高压馈电线的危险，这是基本的也是常常容易被忽视的。电源设备的这种安全性是由电源变压器实现的，于是，为了使变压器能传送足够的电力就要求它必须具备相应的规模。

图：电源设备已变成工业控制系统结构的关键性部件

　　一台较大的变压器通常装备有散热器，这样可以获得良好的产品寿命。此外，在变压器的原边和副边线圈之间还要使用双重隔离，从而保证的安全性。

　　可靠性

　　人们常常单纯要求电源产品的寿命，其实，影响电源寿命的因素很多，如像平均负载率、振动和周围的环境温度等。其中，环境温度很重要，所以排放出由电源内部元件所产生的总热量非常关键。

　　因为电源设备制造商并不了解终用户的使用条件，所以他们能提供参考的寿命性能是电源产品的平均故障间隔时间MIBF(Mean Time Between Failure)；电源的MTBF值，在任何情况下，都是由电源内部的电解电容MTBF之值所决定的。当电源设备里排除掉电容的影响因素时，其计算的MTBF可能为10万小时或者更长一些。然而，电解电容的典型MTBF之值仅仅是3万小时。

　　因为一些电源设备制备制造商已开发出他们自己的电源MTBF计算方法，而且计算出的MTBF值是比较高的，所以用户使用在MIL-HDBK-217E方式中所定义的MTBF之值，同厂家给定的电源MTBF之值相比较，来正确判断产品的性能。因为MIL-HDBK-217E定义的计算MTBF方法是已经被证实的并且是广泛可以接受的，计算的MTBF值也是可核实的。

　　当评价电源产品的标称寿命时，电源是否运行在额定的满负载状况是评价电源的另一重要考虑因素。如果电源设备装有合适的散热器而且无热循环，在低于满负载的情况下且连续工作，电源就能有更长的寿命。综合考虑以上因素，建议选型工程师依靠MIL-HKBK-217E方法验证电源产品的MTBF之值，确保电源在合适的条件下工作，只要做到这一点，也不必再考虑电解电容的短寿命问题。

　　功率因数校正

　　电源的另一个关键性的性能要素是它的功率因素。教科书里定义的功率因数是加在负载上的电压和电流波形之间的相角余弦（若电压波形与电流波形的相角差为φ,则cosφ便是电源的功率因数）。当加在负载上的电压和电流波形相位一致时(即相角差φ=0),则功率因数 cosφ=1是理想的情况；当加在负载上的电压和电流波形相角差为90°时（即φ=90°）,则功率因数等于零（处于值）；通常，电源的功率因数处于0到1之间，即0≤cosφ≤1，可用百分数表示。

　　加在负载上的电压和电流波形之间存在相位差导致的结果之一是供电效率降低，即产生所要求的电力需要输入更大的电力；导致的另外一个结果而且是更严重的后果，那就是电压和电流的波形差产生过多的高次谐波。大量的高次谐波反馈到主输入线（电网），造成电网被高次谐波污染成为恶性事故的隐患；同时，这种高次谐波也会扰乱控制系统里的敏感低压电路。

　　现有两种主要的功率因数校正PFC（Power Factor Correction）方法：种方法是在输入端使用简单的线圈；第二种方法是使用特殊的电子功率因数校正电路。利用线圈叫作“无源”PFC，利用该方法通常可获得到0.7～0.8的功率因数。利用第二种方法（也叫作“有源”PFC）则可产生少量的高次谐波从而更有效地利用电网提供的电能。有源PFC可产生高于95％的功率因数，在大型电源里为有用，因为产生的高次谐波是直接和负载电流成正比的。例如，在10A乃至更高负载电流的24Vdc电源里利用有源PFC方法是适宜的。

　　工程师应当认识到，电源具备功率因数校正功能的重要意义不仅仅是保证电源不辐射或是不传导所不希望的电噪声。因此，作为规划选型工程师必须寻找符合国际规范的电源产品，这些规范包括电的发射规范EN55011-Bt EN55022-B和有关高次谐波发射污染电网的规范EN61000.3.2。

　　浪涌保护

　　电源里内置浪涌保护功能已是日益流行的性能。许多电源已使用单独的浪涌保护器件，以防高电压波峰冲击，如雷电冲击。

　　某些开关电源现已提供EN61000-4-4和EN61000-4-5所定义的浪涌保护，这是内置的浪涌保护功能（提供高达4kV的浪涌保护），由于不需要外加的抑制器从而缩小了珍贵的面板空间。这种新的国际标准使得工程师容易选择电源，因为浪涌保护的标准化级别早已建立。

　　过载和短路保护

　　任何电源都具备的重要特性是提供公布的连续满负载能力。更重要的是电源具备某些内置的误差余量或是计算（考虑）过载情况的容错。一台好的电源是能提供5％的过载保护，较理想的情况是提供出10％的过载保护。

　　所谓过载情况是指由电源里取出过量的电流，规划选型工程师具有两种选择。种选择是，当电源经受到过载情况时，电源设备启动暂停电路（hiccup circuit）。利用这种设计，电源设备可暂停工作，经过暂停之后电源力图再度重新启动持续工作。当过载情况消失，则电源重新启动成功，并又开始正常工作。这种设计适用于低电流设备。

　　对于比较大的电源设备，一种叫作“恒流”供电的方法是过载保护的较好选择。在这种情况下，当电源一直被迫供应出恒定电流时，则电源设备降低其输出电压。

　　短路保护功能是电源设备的另一安全性能，这一特性不容忽视。虽说主要目的是安全，但优点是那时电源有自动复位特性。这个特性所提供的保护时间可持续到已经查到短路故障。

　　电源的经济性和尺寸

　　电源的经济性和几何尺寸是相关的。对于终用户有幸的是电源的经济性和几何尺寸两方面都有所改善。一些较新的电源产品提供出上述的十足性能，与以往相比，它能以较低的成本获得比旧的低效率设计产品包封尺寸低50％。

　　在经济性和几何尺寸两种特性中，常常是更看中几何尺寸特性。因为在以往积累了大量几何尺寸的技巧，例如利用更小的元件和有效板尺寸。现在，有些有效的设计把散热器结合到电源外壳装配空间里，因此有效地削减了外加散热器和塑料外壳的空间和成本。

　　便于使用

　　对于电源设备还有一项附加的共同要求是容易装配的端接。如今很多电源产品提供形形色色的设计特性，诸如的装配灵活性和的终安装和连接成本。为满足范围的应用，电源流行的性能包括：灵敏且安全的装配双列导轨托架（DIN-rail-mounting bracket）、微小外壳设计和通用宽度的输入电压范围。电源设备的其他性能包括如下：前面板装配输入和输出连接，可插入的触摸可靠的端接部件，易于装配/替换输入熔丝和输出电压调整。

　　近有一种新型的电源产品已经上市，该产品直接与三相340～480Vac输入电压连接，消除了压降变压器所要求的成本和空间。终的结果是这种新电源产品比用单相电源附加变压器更有效且成本更低。