Hoe een effectief warmtebeheer voor de voeding te ontwerpen in industriële en medische systemen

Efficiënt en kosteneffectief thermisch beheer voor voedingseenheden (PSU's) is belangrijk bij het ontwerpen van industriële en medische systemen om de betrouwbaarheid te waarborgen. Het ontwerpen van een effectief thermisch beheersysteem voor een PSU is een complexe bezigheid, en veel hangt af van de vraag of de PSU een gesloten of een open frame heeft.

Als een gesloten PSU wordt gebruikt, is het type behuizing van invloed op de luchtstroom en de warmtedissipatie. Hoewel ventilatoren helpen, moeten ontwerpers rekening houden met de betrouwbaarheid van ventilatoren en met de tegendruk die door systeemventilatoren wordt veroorzaakt en die de effectiviteit van de PSU-ventilator(en) aanzienlijk kan verminderen, waardoor de bedrijfstemperaturen van de PSU mogelijk stijgen.

PSU's hebben vaak een lager rendement bij een lage ingangslijnspanning. Bijgevolg kunnen eenheden die gedurende langere perioden bij een lage ingangslijn in bedrijf zijn, resulteren in een hogere thermische dissipatie en de behoefte aan extra koeling. Tenslotte moeten PSU's vaak worden gereduceerd als ze worden gebruikt bij hoge temperaturen die in industriële en medische systemen kunnen voorkomen.

Om de implementatie van effectieve systemen voor thermisch beheer te versnellen, kunnen ontwerpers zich wenden tot PSU's die speciaal zijn ontworpen voor gebruik in industriële en medische toepassingen en die een scala aan opties voor thermisch beheer bieden.

Dit artikel geeft een overzicht van de uitdagingen op het gebied van thermisch beheer bij het ontwerpen van industriële en medische systemen en biedt richtlijnen voor het ontwerpen van effectieve oplossingen voor thermisch beheer. Vervolgens worden opties gepresenteerd voor de integratie van PSU's in industriële en medische apparatuur, waarbij PSU's van Bel Power Solutions als praktijkvoorbeelden worden gebruikt, en wordt afgesloten met enkele praktische stappen die ontwerpers kunnen volgen bij de integratie van een PSU in het totale thermische ontwerp van het systeem.

Uitdagingen inzake thermisch beheer van de voeding

De uitdagingen op het gebied van thermisch beheer van PSU's omvatten de luchtstroom van het systeem en de invloed die systeemventilatoren kunnen hebben op de prestaties van in PSU's geïntegreerde ventilatoren, de omgevingstemperatuur, de behoefte aan piekvermogen, en de invloed die het bereik van de ingangsspanning kan hebben op de vermogensdissipatie. Dit zijn overwegingen van de eerste orde; dit artikel gaat niet in op overwegingen van de tweede orde inzake thermisch beheer met betrekking tot systemen voor rekmontage of speciale omgevingen zoals datacentra.

Een van de eerste overwegingen is de richting van de PSU-luchtstroom; de normale luchtstroom creëert positieve druk bij het verlaten van het systeem en de omgekeerde luchtstroom creëert positieve druk bij het binnenkomen van het systeem (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Bij een normale luchtstroom verlaat de positieve druk het systeem (links). Bij omgekeerde luchtstroom komt er positieve druk in het systeem (rechts). (Bron afbeelding: Bel Power Solutions)

Een ventilator is niet genoeg

Veel PSU's zijn voorzien van een koelventilator. In plaats van het thermisch ontwerp te vereenvoudigen, kan een PSU met een ventilator het thermisch ontwerp bemoeilijken door rekening te houden met de richting van de luchtstroom en de impedantie en druk van de luchtstroom in het systeem of chassis. Complicaties zijn onder andere:

• Systeemventilatoren kunnen concurreren met en de effectiviteit verminderen van PSU-ventilatoren, waardoor de luchtstroom door de PSU afneemt.
• De ingang naar de PSU-ventilator kan een onverwacht hoge impedantie hebben, waardoor de luchtstroom door de PSU wordt beperkt.
• Kabels of andere obstakels kunnen de PSU-luchtstroom blokkeren, waardoor de effectiviteit van de ventilatoren afneemt.

Er zijn verschillende manieren waarop systeem- en PSU-ventilatoren op elkaar kunnen inwerken; voorbeelden zijn te zien in Afbeelding 2 hieronder:

1. De PSU-ventilator(en) produceert (produceren) een normale luchtstroom, maar de hogere prestaties van de systeemventilator(en) resulteren in een lagere (negatieve) druk in het chassis, waardoor de PSU-ventilator minder efficiënt werkt.
2. De PSU-ventilator(en) produceren een omgekeerde luchtstroom en de systeemventilator(en) helpen de PSU-koeling, niet om deze te bestrijden. Als de lucht die de PSU binnenkomt echter afkomstig is van het uitlaatplenum van het systeem, kan dat problemen veroorzaken zoals een vermindering van de netto luchtstroom, alsmede recirculatieproblemen die leiden tot de ophoping van warmte in de PSU.
3. De luchtinvoer naar de PSU is geïsoleerd van de hoofdluchtstroom van het chassis, zodat de PSU-ventilatoren worden beschermd tegen interferentie van de systeemventilator(en). Om het maximale voordeel te behalen, moet het luchtstroomkanaal voor de PSU een lage weerstand hebben.

Afbeelding 2: Bij het thermische ontwerp moet rekening worden gehouden met de richting van de luchtstroom in de PSU en de relatieve sterkte van de PSU- en systeemventilatoren. (Bron afbeelding: Bel Power Solutions)

Piek- vs. nominaal vermogen en derating

Derating is vaak anders voor piekvermogen dan voor nominaal vermogen. De behoefte aan piekvermogen varieert sterk, van enkele milliseconden (ms) tot 10 seconden of meer, en het is een belangrijke overweging in veel industriële en medische systemen. Neem nu twee 600-watt PSU series die geoptimaliseerd zijn voor verschillende piekvermogens: de ABC601-serie van industriële en medische AC-DC voedingen van Bel Power Solutions die geschikt is voor 10 seconden piekvermogen, en de VPS600 serie die geschikt is voor 1 ms piekvermogen.

De ABC601 serie levert tot 600 watt geregeld uitgangsvermogen over een ingangsspanningsbereik van 85 tot 305 volt wisselstroom (V_AC) in enkelvoudige uitgangen van 24, 28, 36, of 48 volt gelijkstroom (V_DC). Bijvoorbeeld, de ABC601-1T48 heeft een 48 V_DC-uitgang. Deze PSU's zijn geschikt voor 600 watt continu vermogen of een piekvermogen tot 800 watt gedurende maximaal 10 seconden bij een temperatuur van maximaal 60 °C voor de modellen met een ingesloten ventilator aan de voorzijde (Afbeelding 3). Zij hebben een 5 V_DC stand-by stroomuitgang van 1,2 ampère (A) voor modellen met U-chassis en 1,5 A voor modellen met aan de voorzijde gemonteerde ventilator, en een 12 volt, 1 A, ventilatoruitgang.

Afbeelding 3: De gesloten voorgemonteerde ventilatormodellen van de ABC601 serie leveren 600 watt continu vermogen (rode lijn in bovenste grafiek) of tot 800 watt gedurende maximaal 10 seconden (rode lijn in onderste grafiek) bij een temperatuur tot 60 °C. (Bron afbeelding: Bel Power Solutions)

De ABC601-serie is verkrijgbaar in twee uitvoeringen, U-frame chassis of gesloten met een aan de voorzijde gemonteerde ventilator (Afbeelding 4). De ABC601-serie beschikt over een intern stroomverdelingscircuit voor parallelle werking tussen units om het totale vermogen te verhogen.

Afbeelding 4: ABC601 PSU's zijn beschikbaar met ventilatorkoeling (boven) of convectiekoeling (onder). (Bron afbeelding: Bel Power Solutions)

De EOS Power VPS600-serie open frame PSU's van Bel Power Solutions hebben een beperkter ingangsbereik van 85 tot 264 V_AC en leveren tot 600 watt continu uitgangsvermogen en een piekvermogen van 720 watt gedurende 1 ms (Afbeelding 5). Deze PSU's zijn verkrijgbaar met uitgangsspanningen van 12, 15, 24, 30, 48, en 58 V_DC. De VPS600-1048 heeft bijvoorbeeld een uitgang van 48 V_DC. Deze eenheden omvatten een 5 V_DC, 500 milliampère (mA), stand-by stroomuitgang en een 12 volt, 500 mA, ventilatoruitgang. Terwijl de ABC601-serie verkrijgbaar is in twee uitvoeringen, is de VPS600 serie verkrijgbaar in drie uitvoeringen met verschillende vermogens: convectiegekoeld U-kanaal voor 600 watt, gegroefde deksels voor 420 watt, en gewone deksels voor 360 watt.

Afbeelding 5: De VSP600-serie is verkrijgbaar in drie verpakkingsconfiguraties met verschillende nominale vermogens; 600-watt convectiegekoelde U-kanaal-units, 420-watt sleufdeksel-units, en 360-watt gewone deksel-units. (Bron afbeelding: Bel Power Solutions)

De verschillende uitgangsspanningsopties en verpakkingsstijlen hebben verschillende derating curves. Bijvoorbeeld, de derating voor 24 V_DC uitgangsunits is:

• Open frame
  • Convectiebelasting, 600 watt continu tot 30 °C
• Gleufdeksel
  • Convectiebelasting, 420 watt continu tot 30 °C
• Gewone deksel
  • Convectiebelasting, 360 watt continu tot 30 °C
• Voor alle dekselstijlen
  • Verminder tussen 30 en 50 °C met 0,833% per °C
  • Verminder boven 50 °C met 2,5% per °C tot een maximum van 70 °C

Het ingangsspanningseffect

De efficiëntie van de PSU kan afnemen bij lagere ingangsspanningen, wat leidt tot een vermindering van het nominale uitgangsvermogen. De AC-DC-voedingen van de reeks ABE1200/MBE1200 leveren bijvoorbeeld 1200 watt bij een ingangsbereik van 180 tot 305 V_AC, en 1000 watt bij een ingangsbereik van 85 tot 180 V_AC (Afbeelding 6). Deze nominale waarden gelden van 0 tot 60 °C. Bij 70 °C verminderen zij lineair van respectievelijk 1200 tot 1100 watt en van 1000 tot 900 watt.

Afbeelding 6: De ABE1200/MBE1200 PSU's leveren 1200 watt met ingangsspanningen van 180 tot 305 V_AC en 1000 watt met ingangsspanningen van 85 tot 180 V_AC. (Bron afbeelding: Bel Power Solutions)

Deze PSU's zijn voorzien van een ventilatorsnelheidsregeling om het hoorbare geluid te minimaliseren wanneer een maximale luchtstroom niet nodig is. Ze zijn verkrijgbaar in drie pakketten die compatibel zijn met de 1U-hoogte, waaronder een gesloten model met twee ventilatoren (alleen 24 V_DC-modellen), en een U-vormig chassis met twee beschermende deksels (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De ABE1200 PSU's zijn beschikbaar met dubbele ventilatoren (alleen 24 V_DC-modellen), en twee keuzes van beschermde deksels. (Bron afbeelding: Bel Power Solutions)

DIN is anders

De PSU's van de LEN120-serie hebben een nominaal vermogen van 120 watt en zijn ontworpen voor standaard DIN-rail montage. De LEN120-12 levert bijvoorbeeld een uitgang van 12 V_DC over een nominaal ingangsspanningsbereik van 90 tot 264 V_AC (universeel) of 127 tot 370 V_DC (Afbeelding 9). Bij het derëren van DIN-rail voedingen wordt in de datasheets vaak tegelijkertijd rekening gehouden met de ingangs- en uitgangsspanningen, naast de bedrijfstemperatuur. Voor de LEN120-serie:

• Alle modellen
  • Van -20 °C tot -10 °C, met een nominale 115 V_AC-ingang, neemt het uitgangsvermogen af met 2%/°C
  • Van -20 °C tot -10 °C, met een nominale 230 V_AC-ingang, is geen derating nodig
  • Van +40 °C tot +60 °C, met een nominale 115 V_AC-ingang, neemt het uitgangsvermogen af met 2,5%/°C
  • Voor ingangsspanningen tussen 115 en 264 V_AC en tussen 162 en 370 V_DC is geen derating vereist
  • Voor ingangsspanningen tussen 115 en 90 V_AC en tussen 162 en 127 V_DC (lage lijncondities), neemt het uitgangsvermogen af met 1%/V
• Model LEN120-12 (12 V_DC-uitgang)
  • Van +45 °C tot +60 °C, met een nominale 230 V_AC-ingang, neemt het uitgangsvermogen af met 3,33%/°C
• Modellen LEN120-24 en LEN120-48 (24 en 48 V_DC-uitgang, respectievelijk)
  • Van +50 °C tot +60 °C, met een nominale 230 V_AC-ingang, vermindert het uitgangsvermogen met 5%/°C

Afbeelding 8: De LEN120-serie DIN-rail PSU's hebben een vermogen van 120 watt en zijn convectiegekoeld. (Bron afbeelding: Bel Power Solutions)

Praktische stappen op weg naar betere thermische ontwerpen

Zoals blijkt, brengt de integratie van een PSU in een systeem complexe thermische ontwerpkwesties met zich mee. Er zijn verschillende praktische stappen die ontwerpers kunnen volgen om onaangename verrassingen te helpen voorkomen:

• De PSU-fabrikant kan gedetailleerde informatie verstrekken over de relatie tussen het luchtdebiet van de ventilator en de statische druk (de P-Q-curve), waardoor ontwerpers kunnen weten welk luchtdebiet zij kunnen verwachten als de PSU-ventilator met of tegen de interne tegendruk in het systeem in werkt.
• Sommige PSU-fabrikanten kunnen FlowTHERM thermische modellen van de PSU leveren die in het algemene systeemmodel kunnen worden gebruikt om de thermische prestaties van de PSU te beoordelen en mogelijke problemen vast te stellen.
• Laat de PSU-fabrikant een thermisch ontwerp van een systeem beoordelen en aanbevelingen doen voor verdere analyse, of bevestig de geldigheid van het ontwerp.

Conclusie

Bij het ontwerpen van een PSU thermisch beheersysteem voor medische of industriële toepassingen moet met een aantal zaken rekening worden gehouden. Deze omvatten de luchtstroom van het systeem, de invloed die systeemventilatoren kunnen hebben op de prestaties van in de PSU geïntegreerde ventilatoren, het gespecificeerde bedrijfstemperatuurbereik, de noodzaak om piekvermogen te leveren, en de invloed die het bereik van de ingangsspanning kan hebben op de vermogensdissipatie.

Om deze problemen op te lossen, kunnen ontwerpers een beroep doen op de PSU-ontwerpen van Bel Industrial Power die zijn geoptimaliseerd voor verschillende thermische omgevingen en toepassingsscenario's. Bovendien zijn bij de fabrikanten van voedingseenheden hulpmiddelen voor thermisch beheer verkrijgbaar die het ontwerpproces kunnen versnellen.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Een ventilator kiezen