Návrh účinné regulace teploty napájecích zdrojů v průmyslových a lékařských systémech
Contributed By DigiKey's North American Editors
2022-08-25
Účinná a nákladově efektivní regulace teploty pro napájecí zdroje (PSU) je důležitá při návrhu průmyslových a lékařských systémů pro zajištění spolehlivosti. Návrh efektivního systému regulace teploty pro PSU je složitá činnost a hodně závisí na tom, zda je zdroj uzavřený nebo otevřený.
Pokud je použit uzavřený napájecí zdroj, má typ krytu vliv na proudění vzduchu a odvod tepla. Zatímco ventilátory pomáhají, konstruktéři musí vzít v úvahu spolehlivost ventilátoru a také zpětný tlak způsobený systémovými ventilátory, který může významně snížit účinnost ventilátoru (ventilátorů) PSU a potenciálně zvýšit provozní teploty napájecího zdroje.
Napájecí zdroje mají často nižší účinnost při nízkém vstupním síťovém napětí. V důsledku toho mohou jednotky provozované delší dobu při nízkém vstupním napětí generovat vyšší odvod tepla s potřebou dodatečného chlazení. A nakonec platí, že napájecí zdroje často vyžadují snížení výkonu, pokud jsou provozovány při zvýšených teplotách, které lze zaznamenat v průmyslových a lékařských systémech.
Pro urychlení implementace efektivních systémů regulace teploty mohou konstruktéři využívat napájecí zdroje speciálně navržené pro použití v průmyslových a lékařských aplikacích, které nabízejí řadu možností regulace teploty.
Tento článek shrnuje výzvy tepelné regulace managementu při návrhu průmyslových a lékařských systémů a poskytuje návod pro návrh efektivních řešení regulace teploty. Poté představuje možnosti integrace napájecích zdrojů do průmyslových a lékařských zařízení s využitím zdrojů od společnosti Bel Power Solutions jako příkladů z reálného světa a na závěr nabízí několik praktických kroků, které mohou konstruktéři provést při integraci zdroje PSU do celkového tepelného návrhu systému.
Problematika regulace teploty napájecího zdroje
Problematika regulace teploty napájecích zdrojů zahrnuje proudění vzduchu v systému a dopad, který mohou mít systémové ventilátory na výkon ventilátorů integrovaných ve zdroji, okolní provozní teplotu, potřebu dodávky energie ve špičkách a dopad, který může mít rozsah vstupního napětí na ztrátový výkon. Toto jsou úvahy prvního řádu; tento článek se nedotýká úvah o regulaci teploty druhého řádu souvisejících s rackovými systémy nebo speciálními prostředími, jako jsou datová centra.
Jedním z prvních úvah je směr proudění vzduchu ve zdroji; normální proudění vzduchu vytváří přetlak na výstupu ze systému a obrácené proudění vzduchu vytváří přetlak na vstupu do systému (obrázek 1).
Obrázek 1: Při normálním proudění vzduchu vystupuje ze systému přetlak (vlevo). Při zpětném proudění vzduchu vstupuje do systému přetlak (vpravo). (Obrázek: Bel Power Solutions)
Ventilátor nestačí
Mnoho napájecích zdrojů PSU obsahuje chladicí ventilátor. Zdroj s ventilátorem však nemusí tepelný návrh zjednodušovat, ale naopak komplikovat díky zohlednění směru proudění vzduchu, impedance a tlaku proudění vzduchu systémem nebo šasi. Mezi komplikace patří:
- Systémové ventilátory mohou konkurovat ventilátorům PSU a snižovat jejich účinnost, což snižuje průtok vzduchu přes napájecí zdroje.
- Na vstupu do ventilátoru PSU může být nečekaně vysoká impedance, což snižuje průtok vzduchu napájecím zdrojem.
- Kabely nebo jiné překážky mohou blokovat proudění vzduchu napájecím zdrojem, čímž se snižuje účinnost ventilátorů.
Existuje několik způsobů vzájemné komunikace ventilátorů systému a zdroje, příklady jsou znázorněny na obrázku 2 níže:
- Ventilátor (ventilátory) PSU produkují normální proudění vzduchu, ale vyšší výkon ventilátoru (ventilátorů) systému má za následek nižší (záporný) tlak uvnitř skříně, čímž se snižuje účinnost ventilátoru PSU.
- Ventilátor(y) PSU produkují zpětné proudění vzduchu a ventilátor(y) systému pomáhají při chlazení PSU, nepůsobí proti němu. Pokud však vzduch vstupující do zdroje (PSU) pochází z přetlakového prostoru systému, mohou vzniknou problémy zahrnující snížení čistého průtoku vzduchu, stejně jako problémy s recirkulací, které způsobují akumulaci tepla ve zdroji.
- Vstup vzduchu do PSU je izolován od hlavního proudění vzduchu v šasi a chrání ventilátory PSU před rušením od systémového ventilátoru (ventilátorů). Pro dosažení maximálního efektu by měl mít kanál proudění vzduchu pro PSU nízký odpor.
Obrázek 2: Tepelný návrh musí brát v úvahu směr proudění vzduchu v napájecím zdroji (PSU) a relativní síly zdroje a systémových ventilátorů. (Zdroj obrázku: Bel Power Solutions)
Výkon ve špičce vs. jmenovitý výkon a snížení výkonu
Snížení výkonu je často odlišné pro výkon ve špičce a jmenovitý výkon. Potřeba výkonu ve špičce se značně mění, a to od několika milisekund (ms) až po 10 sekund nebo více a jde o důležitý faktor v mnoha průmyslových a lékařských systémech. Uvažme dvě řady napájecích zdrojů (PSU) 600 W optimalizované pro různé dodávky výkonu ve špičce - průmyslové a lékařské AC-DC napájecí zdroje řady ABC601 od společnosti Bel Power Solutions, které jsou dimenzovány na dodávku výkonu ve špičce po dobu 10 sekund, a zdroje řady VPS600 dimenzované na dodávku výkonu ve špičce po dobu 1 ms.
Řada ABC601 poskytuje až 600 W regulovaného výstupního výkonu při vstupním střídavém napětí v 85 až 305 V (VAC) na jednotlivých stejnosměrných výstupech 24, 28, 36 nebo 48 V (VDC). Například model ABC601-1T48 dodává výstupní napětí 48 VDC. Tyto napájecí zdroje (PSU) jsou dimenzovány na 600 W trvalého výkonu nebo 800 W výkonu ve špice po dobu až 10 sekund při teplotě až 60 °C pro uzavřené modely ventilátorů s přední montáží (obrázek 3). Mají výstupní výkon v pohotovostním režimu 5 VDC při jmenovitém proudu 1,2 A u modelů s U šasi a 1,5 A u modelů s předním ventilátorem a výkon ventilátoru 12 V, 1 A.
Obrázek 3: Uzavřené modely s předním ventilátorem řady ABC601 dodávají trvalý výkon 600 W (červená čára na horním grafu) nebo až 800 W po dobu až 10 sekund (červená čára na spodním grafu) při teplotě až 60 °C. (Zdroj obrázku: Bel Power Solutions)
Řada ABC601 se dodává ve dvou provedeních, a sice s kostrou ve tvaru U nebo jako uzavřené provedení s předním ventilátorem (obrázek 4). Řada ABC601 obsahuje vnitřní obvod sdílení proudu pro paralelní provoz mezi jednotkami pro zvýšení celkového výkonu.
Obrázek 4: Zdroje ABC601 jsou k dispozici s chlazením ventilátorem (nahoře) nebo konvekčním chlazením (dole). (Zdroj obrázku: Bel Power Solutions)
Napájecí zdroje s otevřenou konstrukcí řady EOS Power VPS600 od společnosti Bel Power Solutions mají užší rozsah vstupních napětí 85 až 264 VAC a dodávají až 600 W trvalého výstupního výkonu a 720 W výkonu ve špičkách po dobu 1 ms (obrázek 5). Tyto napájecí zdroje jsou k dispozici s výstupním napětím 12, 15, 24, 30, 48 a 58 VDC . Například model VPS600-1048 má výstupní napětí 48 VDC. Tyto jednotky disponují výkonem v pohotovostním režimu 5 VDC, 500 mA, a výstupním výkonem ventilátoru 12 V, 500 mA. Zatímco řada ABC601 je dodávána ve dvou provedeních, řada VPS600 je dostupná ve třech provedeních s různými jmenovitými výkony: konvekčně chlazený U kanál s výkonem 600 W, jednotky se štěrbinovým krytem s výkonem 420 W a jednotky s hladkým krytem s výkonem 360 W.
Obrázek 5: Řada VSP600 je k dispozici ve třech konfiguracích s různými jmenovitými výkony - 600W konvekčně chlazené jednotky s U kanálem, 420W jednotky se štěrbinovým krytem a 360W jednotky s běžným krytem. (Zdroj obrázku: Bel Power Solutions)
Různé možnosti výstupního napětí a styly provedení odpovídají různým křivkám snížení výkonu. Například snížení výkonu pro jednotky s výstupním napětím 24 VDC je následující:
- Otevřený rám
- Konvekční zátěž, trvalý výstupní výkon 600 W do 30°C
- Drážkovaný kryt
- Konvekční zátěž, trvalý výstupní výkon 420 W do 30°C
- Běžný kryt
- Konvekční zátěž, trvalý výstupní výkon 360 W do 30°C
- Pro všechna provedení krytů
- Snížení výkonu mezi 30 a 50 °C o 0,833 % na °C
- Snížení výkonu nad 50 °C o 2,5 % na °C, maximálně na 70 °C
Vliv vstupního napětí
Účinnost zdroje může být snížena při nižších vstupních napětích, což má za následek snížení jmenovitého výstupního výkonu. Například AC-DC zdroje řady ABE1200/MBE1200 dodávají výkon 1200 W při vstupním napětí 180 až 305 VAC a 1000 W při vstupním napětí 85 až 180 VAC (obrázek 6). Tyto jmenovité hodnoty platí pro rozsah teplot 0 až 60 °C. Při 70 °C se jejich výkon lineárně snižuje z 1200 na 1100 W a z 1000 na 900 W.
Obrázek 6: Napájecí zdroje ABE1200/MBE1200 dodávají výkon 1200 W se vstupním napětím od 180 do 305 VAC a 1000 W se vstupním napětím od 85 do 180 VAC. (Zdroj obrázku: Bel Power Solutions)
Tyto napájecí zdroje zahrnují regulaci rychlosti ventilátoru, aby se minimalizoval slyšitelný hluk, pokud není vyžadován maximální průtok vzduchu. Jsou k dispozici ve třech 1U výškově kompatibilních provedeních, včetně uzavřeného modelu se dvěma ventilátory (pouze modely 24 VDC) a šasi ve tvaru U se dvěma možnostmi ochranného krytu (obrázek 7).
Obrázek 7: Zdroje ABE1200 PSU jsou k dispozici s dvěma ventilátory (pouze modely 24 VDC) a dvěma možnostmi ochranných krytů. (Zdroj obrázku: Bel Power Solutions)
DIN je jiný
Napájecí zdroje řady LEN120 mají jmenovitý výkon 120 W a jsou navrženy pro standardní montáž na lištu DIN. Například zdroj LEN120-12 poskytuje výstupní napětí 12 VDC při jmenovitém vstupním napětí v rozsahu 90 až 264 VAC (univerzální) nebo 127 až 370 VDC (obrázek 9). Při snižování výkonu napájecích zdrojů na lištu DIN se v technických listech často kromě provozní teploty zohledňuje také vstupní a výstupní napětí. Pro řadu LEN120:
- Všechny modely
- V rozsahu -20 °C až -10 °C při jmenovitém vstupním napětí 115 VAC se výstupní výkon se sníží o 2 %/°C
- V rozsahu -20°C až -10°C při jmenovitém vstupním napětí 230 VAC není nutné žádné snížení
- V rozsahu +40°C až +60°C při jmenovitém vstupním napětí 115 VAC se výstupní výkon se sníží o 2,5%/°C
- Při vstupním napětí v rozsahu 115 až 264 VAC a 162 až 370 VDC není nutné žádné snížení
- Při vstupním napětí v rozsahu 115 až 90 VAC a 162 a 127 VDC (stav nízkého síťového napětí) se výstupní výkon sníží o 1 %/V
- Model LEN120-12 (výstupní napětí 12 VDC)
- V rozsahu +45°C až +60°C při jmenovitém vstupním napětí 230 VAC se výstupní výkon se sníží o 3,33%/°C
- Modely LEN120-24 a LEN120-48 (výstupní napětí 24, resp. 48 VDC)
- V rozsahu +50°C až +60°C při jmenovitém vstupním napětí 230 VAC se výstupní výkon se sníží o 5%/°C
Obrázek 8: Napájecí zdroje na lištu DIN řady LEN120 mají jmenovitý výkon 120 W a používají konvekční chlazení. (Zdroj obrázku: Bel Power Solutions)
Praktické kroky pro dosažení lepšího tepelného designu
Jak je ukázáno, integrace napájecího zdroje do systému zahrnuje složité problémy tepelného návrhu. Existuje několik praktických doporučení pomáhajících konstruktérům vyhnout se nepříjemným překvapením:
- Výrobce zdroje může poskytnout podrobné informace o vztahu mezi prouděním vzduchu ventilátorem a statickým tlakem (křivka P-Q), což konstruktérům dovoluje poznat, jaké proudění vzduchu lze očekávat, pokud ventilátor zdroje bude pracovat s vnitřním protitlakem v systému nebo proti němu.
- Někteří výrobci zdrojů mohou dodat tepelné modely FlowTHERM PSU, které lze použít v celkovém modelu systému k odhadu tepelného výkonu zdroje a identifikaci potenciálních problémů.
- Nechte výrobce napájecího zdroje zkontrolovat tepelný návrh systému a navrhnout doporučení pro další analýzu nebo potvrdit platnost návrhu.
Závěr
Při návrhu systému řízení teploty napájecího zdroje pro lékařské nebo průmyslové aplikace je třeba zvážit několik problémů. Patří mezi ně proudění vzduchu v systému, vliv, který mohou mít systémové ventilátory na výkon jakýchkoli ventilátorů integrovaných do napájecích zdrojů, specifikovaný rozsah provozních teplot, potřeba podporovat dodávku výkonu ve špičce a vliv rozsahu vstupního napětí na ztrátový výkon.
Při řešení těchto problémů mohou konstruktéři využít návrhy napájecích zdrojů od společnosti Bel Industrial Power, které jsou optimalizovány pro různá tepelná prostředí a scénáře aplikací. Kromě toho jsou od výrobců napájecích zdrojů k dispozici nástroje pro řízení teploty, které mohou pomoci urychlit proces návrhu.
Doporučeno k přečtení

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.