Gebruik een contactgekoelde AC/DC-voedingsconvertor voor zware toepassingen

Naarmate het aantal elektronische apparaten toeneemt, worden ontwerpers van voedingsapparaten en AC/DC-convertormodules voor ruwe omgevingen geconfronteerd met steeds zwaardere eisen op het gebied van prestaties, omgeving en verpakking. Hoewel de rol van een lijngekoppelde voedingsconvertormodule niet fundamenteel is veranderd, is er meer nodig om deze volledig functioneel te maken in het veld.

Ten eerste is er het koelprobleem, want zelfs een efficiënte voeding geeft warmte af. Vervolgens moet de ontwerper rekening houden met elektrische en vormfactoreisen op systeemniveau. Tot slot moet de convertor mogelijkheden bevatten die het ontwerp vereenvoudigen en de omvormer, gebruiker en belasting beschermen tegen ongunstige gebeurtenissen.

In dit artikel wordt kort ingegaan op de uitdagingen waarmee ontwerpers van voedingssystemen voor ruwe omgevingen worden geconfronteerd. Vervolgens wordt een familie van contactgekoelde AC/DC-convertors van 504 W van Advanced Energy geïntroduceerd en wordt getoond hoe deze deze uitdagingen kunnen aangaan.

Begin met de koeluitdaging

Op enkele uitzonderingen na moeten ontwerpers die een AC/DC-convertor in een systeem opnemen ook bepalen hoe ze de gegenereerde warmte kunnen afvoeren. Hoewel moderne convertors relatief efficiënt zijn, meestal 80% tot 90% of hoger, wordt er nog steeds warmte gecreëerd die moet worden afgevoerd om ervoor te zorgen dat de voeding niet oververhit raakt, waardoor de prestaties en betrouwbaarheid in gevaar komen.

Thermische fysica laat zien dat er drie manieren zijn om deze warmte af te voeren (Afbeelding 1):

1. Geleiding, door direct contact van een vast oppervlak met een vast oppervlak
2. Convectie, door een bewegende vloeistof, die lucht of vloeistof kan zijn
3. Straling, als elektromagnetische (voornamelijk infrarode) energie, die kan voorkomen in een vacuüm

Afbeelding 1: Thermische energie kan worden afgevoerd door geleiding, convectie of straling. (Bron afbeelding: Nuclear Power)

Koeling op basis van straling is over het algemeen onvoldoende voor elektronische systemen, omdat het slechts een relatief kleine hoeveelheid warmte overdraagt. Straling is echter cruciaal voor ruimtevaartuigen die hun warmte moeten verspreiden in het vacuüm van de ruimte.

De meeste ontwerpers geven er de voorkeur aan om hun koelstrategie te beginnen met een niet-geforceerde (natuurlijke) of door een ventilator geforceerde luchtstroom, waarbij de lucht door openingen en ventilatieopeningen in de convertor gaat. Deze manier van koelen is relatief goedkoop en gemakkelijk te beoordelen.

De convectiekoeling is echter niet haalbaar in veel echte installaties. De convertor moet zich in de verzegelde behuizing met IP-bescherming van de toepassing bevinden voor volledige bescherming tegen water, regen, stof en andere verontreinigingen. Bovendien zijn de meeste standaardconvertors fysiek niet geschikt of verpakt voor koeling op basis van geleiding.

Er is een ander ontwerp nodig wanneer de koeling uitsluitend moet worden gerealiseerd door thermische geleiding van de behuizing van de convertor naar een aangrenzend oppervlak. Dit wordt vaak contactkoeling of koude-wandkoeling genoemd. Het verpakkingsontwerp van de Artesyn AIF500-voedingsconvertorfamilie van Advanced Energy (Afbeelding 2) is een goed voorbeeld van deze benadering.

Afbeelding 2: De Artesyn AIF500-voedingsconvertors maken gebruik van contact- of koudemuurkoeling. (Bron afbeelding: Advanced Energy)

Deze eenheden met een laag profiel worden gemonteerd op een printplaat (PCB). Ze hebben een standaard voetafdruk van 4,6 × 2,4 inch (in.), een hoogte van 0,55 inch (116,84 × 60,96 × 13,95 millimeter (mm)) en een gewicht van 9,2 ounces (oz) (260 gram (g)).

Ze zijn in de eerste plaats ontworpen voor de externe RF-voedingsvereisten van 5G-telecommunicatietoepassingen. Ze zijn ook geschikt voor displays en industriële toepassingen. Hun gemiddelde tijd tussen defecten (MTBF) is meer dan een miljoen uur.

De modules zijn ontworpen om contactgekoeld te worden via hun basisplaat (afbeelding 3) en kunnen hun volledige vermogen leveren over een breed basisplaat temperatuurbereik van -40 °C tot 100 °C.

Afbeelding 3: De AIF500-modules zijn ontworpen voor geleidingskoeling via hun grondplaat die in direct contact staat met een kouder oppervlak. (Bron afbeelding: Advanced Energy)

Een voedingsconvertor kiezen

De selectie van een voedingsconvertor begint met de belangrijkste prestatievereisten. Deze omvatten het vermogen om een consistente uitgangsspanning te leveren aan de belasting ondanks stabiele variaties in de lijnspanning, spanningstransiënten, veranderingen in de belastingvraag en verschuivingen in de omgevingstemperatuur.

De volledig ingekapselde AIF500-units werken van 90 V_AC tot 264 V_AC. Tot de opties behoren de AIF42BAC-01N met zijn vaste 12 V/42 A-uitgang of de 48 V/10,5 A-uitgang. A AIF11WAC-01N. De opstarttijd naar vol vermogen, een belangrijke parameter in veel toepassingen, is 3,5 seconden (s), terwijl de lijnregeling ±0,2% en de belastingsregeling ±4% is.

Naast een brede AC-lijningang en een goed geregelde DC-uitgang hebben de AIF500-convertors ook beveiligingsfuncties zoals onderspanningsvergrendeling (UVLO), overspanningsbeveiliging (OVP) en overstroombeveiliging (OCP). Interne inschakelstroombegrenzing minimaliseert de externe schakelingen die nodig zijn om schade door inschakelpieken te voorkomen.

Daarnaast zijn de converters goedgekeurd om te voldoen aan de relevante EN-, UL-, Canada U-L, IEC- en EN 62368-1-veiligheidsnormen en dragen ze CE- en UKCA-veiligheidskeurmerken. Ze bereiken deze certificeringen deels dankzij hun meervoudige isolatiewaarden van 4.000 V_DC ingang naar uitgang, 2.500 V_DC ingang naar basisplaat en 100 V_DC-uitgang naar basisplaat.

Regelgevende vereisten en goede technische praktijken vereisen minimalisatie van de thermische belasting om een zeer efficiënte werking te verkrijgen. Deze convertors bieden een efficiëntie van meer dan 90% bij een uitgangsvermogen van de helft of hoger. De 12 V-unit die werkt op een 230 V_AC-lijn heeft bijvoorbeeld een efficiëntie van meer dan 93% bij een uitgangsvermogen van 300 W of hoger (Afbeelding 4). Boven 300 W is de vermogensfactor (PF) hoger dan 0,99, waarmee de wettelijke vereisten worden overtroffen.

Afbeelding 4: De voedingsconversie-efficiëntie van de AIF500 is hoger dan 90% wanneer deze boven de gemiddelde belasting werkt, waardoor de thermische dissipatie afneemt en aan de wettelijke vereisten wordt voldaan. (Bron afbeelding: Advanced Energy)

Voorzieningen en functies op systeemniveau toevoegen

De huidige convertors moeten mogelijkheden bieden die verder gaan dan twee draden voor AC-ingang, twee draden voor DC-uitgang en twee afstandsbedieningskabels. Ze moeten ook op systeemniveau integreren met extra verbindingen en functies.

De AIF500-convertors hebben bijvoorbeeld een directe enkellijns "unit good"-uitgang en een ingang op TTL-niveau voor vrijgave op afstand. Wanneer deze niet zijn ingeschakeld, is hun stand-byvermogen 5 W. Deze meldings- en besturingssignalen zijn slechts een beginpunt voor connectiviteit, want de convertors bevatten ook een PMBus-interface.

Extra functies zijn onder andere de altijd-aan hulpuitgang met vaste spanning van 8 V_DC tot 11 V_DC bij 250 mA, die kleine, kritische belastingen ondersteunt.

Een convertorconfiguratie met één unit vereist alleen een extern elektromagnetisch interferentiefilter (EMI), een hold-upcondensator en een uitgangscondensator.

Voor toepassingen waarbij de uitgangsstroom van één enkele AIF500-unit onvoldoende is, ondersteunen de units actieve stroomdeling, waardoor de configuratie met één unit wordt uitgebreid tot maximaal tien units met eenvoudige unit-naar-unitinterconnecties (afbeelding 5). Deze parallel-uitgangsopstelling vereist alleen de toevoeging van hold-up en uitgangscondensators voor de tweede unit (en elke extra unit); er zijn geen andere componenten nodig.

Afbeelding 5: Een enkele AIF500-unit heeft slechts een paar externe componenten nodig voor de werking (boven); er kunnen er gemakkelijk 10 parallel worden geschakeld als een hogere uitgangsstroom nodig is (onder). (Bron afbeelding: Advanced Energy)

De PMBus maakt een grafische gebruikersinterface (GUI) mogelijk. De GUI vereenvoudigt de besturing en bewaking van een module of modules wanneer ontwerpers zich in de ontwikkelingsfase bevinden en tijdens het implementeren van toepassingen. Het biedt inzicht in spanningen, stromen en de status van belangrijke operationele meetgegevens en fysieke punten.

Conclusie

Een robuuste AC/DC-convertor begint met een solide ontwerp, maar voldoende koeling is altijd een probleem, vooral bij blootgestelde installaties. De volledig gesloten Artesyn AIF500-familie van convertors is ontworpen om te functioneren volgens specificaties tot 100 °C op hun basisplaten met behulp van contactkoeling. Deze units leveren superieure prestaties en beschikken over extra functies en eigenschappen, zoals een PMBus-interface, waardoor ze kunnen werken als systeemcompatibele convertors in plaats van alleen als essentiële bronnen van geregelde DC-uitgangen.