为什么外部 AC/DC 适配器几乎总是单电源轨?

电器工程 电源 电压调节器 交流 直流
2022-01-21 22:23:42

如果我的产品内部需要多个电压轨,为什么我的外部电源只提供一个电压轨是有意义的。

例如,如果我的产品内部需要以下直流电源轨

  • 5V @ 2A, 10W
  • 3V3 @ 4A, 13W
  • 1V8 @ 4A, 7W

并且有一个外部 AC/DC 适配器,当我仍然需要使用产品中的 3 个 DC/DC 转换器降低电压时,在适配器内产生单个更高电压(例如 24VDC @ 1.25A、30W)的原因是什么?

我看到的两级调节的好处是, - 由于两个滤波器级,更好的线路调节 - 由于更少的导体,直流电源输入插头/插座和电缆的成本更低 - 由于更低的直流电源输入插头/插座和电缆的成本更低电流额定值 - 由于电源和负载并置,更好的线路/负载调节。
- 由于电缆中的单一电压,降低了噪声交叉耦合

我看到的单级外部调节的好处是: - 由于去除了一个调节器级而降低了 BoM 成本 - 通过去除一个调节器级提高了功率效率 - 由于去除了一个调节器级而提高了热性能 - 所有调节器损耗都发生在产品 - 由于去除了调节器(在产品内)而减小了产品尺寸

还有什么我错过的吗?

如果产品的主要设计限制是尺寸和散热,为什么这不是合乎逻辑的选择?

3个回答

这有很多原因,而且并不总是很明显。

几年前,电源输出多个轨是很常见的。通常是 +12、+5 和 -12v,但其他变化也很常见。通常,大部分电源都在 +5v 导轨上可用。+12v 具有第二大功率。而-12v 通常最少。

但是随着数字逻辑开始从较低的电压运行,发生了几件有趣的事情。

最大的事情是电流上升了。没有什么大惊喜,真的。12v 时 12 瓦仅为 1 安培。但是 1v 时 12 瓦需要 12 安培!现代英特尔 CPU 在接近 1 伏时可能需要 50+ 安培。但是随着电流的增加,电线中的电压也会下降,从而浪费了电力。如果电源位于 1-2 英尺电缆的末端,那么与电源位于负载旁边的情况相比,您的功率损耗会更大。此外,由于电缆的感应效应,严格的电压调节变得更加成问题。因此,适当的做法是让 AC/DC 电源产生更高的电压,然后将其调节到负载处的较低电压。该行业似乎使用+12v作为更高的配电电压,

另一件事是PCB上所需的电源轨数量变大了。我最近设计的一个系统具有以下电压轨:+48v、+15、+12、+6、+3.3、+2.5、+1.8、+1.5、+1.2、+1.0 和 -15v。那是十一条电源轨!其中许多用于模拟电路,但其中六个仅用于数字逻辑。随着新芯片的开发,电源轨的数量正在增加,电压正在下降。

这对 AC/DC 电源行业造成的影响是,他们正在对具有单输出轨的电源进行标准化,该轨通常是 +12v、+24v 或 +48v——+12v 是迄今为止最常见的. 由于每个人都开始在他们的 PCB 上进行本地 DC/DC 转换器,并且大多数都采用 +12v 输入,因此这是最有意义的。此外,由于供应量很大,单个 +12v 输出电源比几乎任何其他电源更容易获得且更便宜。

当然,还有其他不可忽视的因素。然而,很难就其影响达成一致,更不用说解释它们的影响了。我将在下面简要介绍它们...

当一家 PS 公司必须决定制造什么导轨时,他们最终会产生如此多的变化,以至于他们可能会构建定制供应。除非他们仅对具有单个输出的几个常见电压进行标准化。

当 PS 确实有多个输出时,每个输出上提供的电流通常是错误的。即使只是 +5、+12 和 -12 电源,过去大部分电流都在 +5v 电压轨上。但今天它会在 +12v 轨道上,因为所有下游点的负载供应。将电源如何分配到不同轨道的变化添加到已经巨大的电压选项中,对于一个简单的 3 输出电源,您可以轻松地在如何配置电源方面产生数百或数千种变化。

在构建供应品时,数量很重要。你赚的越多,它们就越便宜。如果您有 100 个供应变体,那么您将任何一个变体的数量除以 100。这意味着您的成本已显着上升。但是,如果您构建 4 个变体,那么体积可以保持较高且成本较低。

如果您对大批量产品有特定需求,那么通常会有完全定制的供应。在这种情况下,多输出电源可能有意义。

多个输出电源往往只调节一个轨道,并允许其他轨道跟踪该轨道并具有更宽松的调节规范。这对某些人来说可能无关紧要,但对于现代数字逻辑使用的低压轨来说,这可能是一个杀手。

所以你去吧:由于技术进步、欧姆定律和经济性,单轨电源变得越来越流行。

更新:我说的是一般的电源。相同的基本概念适用于内部或外部电源。

首先,将 24 V 调节至 5 V 几乎需要开关调节,否则会消耗 P=19·I 瓦。有时您需要线性调节,这需要更小的电压降。

至于为什么您不经常看到具有 5、3.3 和 1.8 V 输出的电源,举个例子,有很多原因:

  • 你的价值观很普遍,但不完全是标准。当其他人想要添加 1.2 V、1.5 V 或...时会发生什么?

    如果您要设计一条涵盖 10 种最常见的轨电压并提供所有可能组合的电源线,它会是:

    • 单电压轨:10种选择
    • 任意两个电压轨:45 种选择
    • 任意三个:120 种选择
    • 任意四个:210 种选择
    • 任意五个:252 种选择
    • 任意六个:210 种选择
    • 任意七个:120 种选择
    • 任意八:45 种选择
    • 10 种铁路选择中的 9 种:10 种选择
    • 全部 10 个:1 个选择

    那是 1,023 种选择!(2 N -1,这里 N=10。)

    设身处地为制造商着想。

    您的挑战:制造一千多种不同的笨重产品,这些产品的不同之处在于不易自动化。可以设计软件来获取输入参数并输出电路板布局和 BOM,但支付一些可怜的工程师来研究这些选项可能更便宜。

    然后必须通过供应链运输、储存和重新运输这些数千个电源。

    有些会比其他的更受欢迎,所以很多有时会缺货,当有库存时,会占用大量的货架空间,所以它们会加倍昂贵,这会进一步压低需求,从而推高成本, 哪一个...

    某些轨道电压组合将非常不受欢迎,以至于没有一个分销商会库存它们,因此您只能按需提供它们。这实际上是定制制造,这意味着您将不得不向客户收取比他们自己建造的成本更高的费用。

    最后,你会倒闭。

    您可以通过减少上述N来大大减少要库存的物品数量。有了N=5的铁路选择,您只需设计、建造、分销和重新运送 31 种不同的产品。但是现在你错过了许多想要的选择,所以你的情况几乎不比你的大部分竞争对手好,后者只提供 1-3 种铁路组合,但你的成本更高,所以你又倒闭了。

  • 如果非车载电源具有必要的导轨,您会谈论省钱,但实际上并没有省钱。要提供所需的导轨,您仍然必须拥有调节器。他们现在只是住在电源里面。

    如果您认为这无关紧要,请比较稳压电源和非稳压电源的价格。一个普通的不受管制的壁疣成本约为 6 美元,而一个受管制的版本可能是这个价格的两倍或更多。

  • 如果将稳压器放在电源内部,它们就远离负载点,因此您需要应对 IR 降。当电流变高时,这可能是一件大事,就像电压变低时经常发生的那样。在负载点附近进行调节要好得多。

如果我正在设计需要几个不同电源轨的东西,我的直觉会驱使我让所有电源电路都由一个外部电源供电。

主要原因是它省去了我在设计时为原型供电的三个或四个电源的麻烦。还有其他原因:-

  1. 目标产品中可能存在需要控制的电源时序问题
  2. EMC - 可能更容易设计以通过一个输入电源满足法规
  3. 电缆和连接器是不可靠性的来源,单电源可提高整个系统的可靠性。

找到现成的壁疣也可能更容易。