Hvordan man designer effektiv termisk styring af strømforsyningen i industrielle og medicinske systemer

Effektiv og omkostningseffektiv termisk styring af strømforsyningsenheder (PSU'er) er vigtig ved design af industrielle og medicinske systemer for at sikre pålidelighed. At designe et effektivt termisk styringssystem til en PSU er en kompleks aktivitet, og meget afhænger af, om PSU'en er lukket eller åben ramme.

Hvis der anvendes en lukket PSU, har typen af kabinet indflydelse på luftstrømmen og varmeafgivelsen. Selv om ventilatorer er nyttige, skal designere overveje ventilatorens pålidelighed samt det modtryk, som systemets ventilatorer forårsager, og som kan reducere effektiviteten af PSU-ventilatorer betydeligt og potentielt øge PSU-driftstemperaturen.

PSU'er har ofte lavere virkningsgrader ved lav input-spænding. Som følge heraf kan enheder, der drives i længere perioder under lave inputlinje forhold, resultere i højere varmeafgivelse og behov for yderligere køling. Endelig skal PSU'er ofte have belastningsreduktion, hvis de anvendes ved høje temperaturer, som man kan opleve i industrielle og medicinske systemer.

For at fremskynde implementeringen af effektive varmestyringssystemer kan designere henvende sig til PSU'er, der er specielt designet til brug i industrielle og medicinske applikationer, og som tilbyder en række muligheder for varmestyring.

I denne artikel gennemgår vi udfordringerne i forbindelse med termisk styring ved design af industrielle og medicinske systemer, og der gives vejledning i at designe effektive løsninger til termisk styring. Derefter præsenteres mulighederne for at integrere PSU'er i industrielt og medicinsk udstyr ved hjælp af PSU'er fra Bel Power Solutions som eksempler fra den virkelige verden, og der afsluttes med nogle praktiske trin, som designere kan følge, når de integrerer en PSU i det overordnede termiske systemdesign.

Udfordringer i forbindelse med termisk styring af strømforsyningen

Udfordringerne i forbindelse med varmestyring af PSU'er omfatter systemets luftstrøm og den indvirkning, som systemets ventilatorer kan have på ydeevnen af eventuelle ventilatorer, der er integreret i PSU'er, den omgivende driftstemperatur, behovet for maksimal strømforsyning og den indvirkning, som området for indgangsspænding kan have på strømforbruget. Dette er overvejelser af første orden; denne artikel berører ikke overvejelser af anden orden vedrørende termisk styring i forbindelse med rackmonteringssystemer eller særlige miljøer som f.eks. datacentre.

En af de første overvejelser er retningen af PSU-luftstrømmen; normal luftstrøm skaber overtryk ved udledning af systemet, og omvendt luftstrøm skaber overtryk ved indgang til systemet (figur 1).

Figur 1: Ved normal luftstrømning udledes der positivt tryk fra systemet (til venstre). Ved omvendt luftstrøm kommer der positivt tryk ind i systemet (til højre). (Billede: Bel Power Solutions)

En ventilator er ikke nok

Mange PSU'er har en køleventilator. I stedet for at forenkle det termiske design kan en PSU med en ventilator komplicere det termiske design med hensyn til luftstrømmens retning samt systemets eller chassisets luftstrømsimpedans og tryk. Komplikationer omfatter:

• Systemventilatore kan konkurrere med og reducere effektiviteten af PSU-ventilatore, hvilket reducerer luftstrømmen gennem PSU'en.
• Indgangen til PSU-ventilatoren kan have en uventet høj impedans, hvilket reducerer luftstrømmen gennem PSU'en.
• Kabler eller andre forhindringer kan blokere PSU-luftstrømmen, hvilket reducerer effektiviteten af ventilatorer.

Der er flere måder, hvorpå system- og PSU-ventilatore kan interagere, og eksempler er vist i figur 2 nedenfor:

1. PSU-ventilatorer producerer normal luftstrøm, men systemventilatorer højere ydelse resulterer i et lavere (negativt) tryk inde i chassiset, hvilket reducerer PSU-ventilator effektivitet.
2. PSU-ventilatorer producerer omvendt luftstrøm, og systemventilatorer hjælper PSU-kølingen, ikke bekæmper den. Men hvis luften, der kommer ind i PSU'en, kommer fra systemets udluftningsplenum, kan det skabe problemer, herunder en reduktion i nettoluftstrømmen samt problemer med recirkulation, der forårsager akkumulering af varme i PSU'en.
3. Lufttilførslen til PSU'en er isoleret fra chassisets hovedluftstrøm, hvilket beskytter PSU-ventilatorerne mod interferens fra systemets ventilatorer. For at opnå det maksimale udbytte skal luftstrømskanalen til PSU'en have en lav modstand.

Figur 2: Ved termisk design skal der tages hensyn til luftstrømmenes retning i PSU'en og den relative styrke af PSU- og systemventilatorerne. (Billedkilde: Bel Power Solutions)

Peak vs. nominel nominel effekt og belastningsreduktion

Belastningsreduktion er ofte forskellig for spidseffekt i forhold til nominel effekt. Spidsbelastningsbehovet varierer meget fra et par millisekunder (ms) op til 10 sekunder eller mere, og det er en vigtig faktor i mange industrielle og medicinske systemer. Overvej to serier af strømforsyninger på 600 watt, der er optimeret til forskellige spidsbelastninger; ABC601-serien af industrielle og medicinske AC/DC-strømforsyninger fra Bel Power Solutions, der er beregnet til spidsbelastninger på 10 sekunder, og VPS600-serien, der er beregnet til spidsbelastninger på 1 ms.

ABC601-serien leverer op til 600 watt reguleret output-effekt over et område for input-spændings fra 85 til 305 volt vekselstrøm (V_AC) i enkelt otput på 24, 28, 36 eller 48 volt jævnstrøm (V_DC). ABC601-1T48 har f.eks. 48 V_DC-output. Disse PSU'er er normeret til 600 watt kontinuerlig effekt eller spidseffekt på op til 800 watt i op til 10 sekunder ved op til 60 °C for de lukkede modeller med frontmonteret ventilator (figur 3). De har en standby-output på 5 V_DC med en nominel strømstyrke på 1,2 ampere (A) for modeller med U-chassis og 1,5 A for modeller med frontmonteret ventilator samt en 12 V ventilator output på 1 A.

Figur 3: De lukkede frontmonterede ventilatormodeller i ABC601-serien leverer 600 watt kontinuerlig effekt (rød linje på øverste graf) eller op til 800 watt i op til 10 sekunder (rød linje på nederste graf) ved op til 60 °C. (Billedkilde: Bel Power Solutions)

ABC601-serien er tilgængelig i to pakker, U-frame chassis eller kabinet med frontmonteret ventilator (Figur 4). ABC601-serien er udstyret med et internt strømdelingskredsløb til parallel drift mellem enhederne for at øge den samlede effekt.

Figur 4: ABC601 PSU'er er tilgængelige med ventilatorkøling (øverst) eller konvektionskøling (nederst). (Billedkilde: Bel Power Solutions)

EOS Power VPS600-serien af open frame PSU'er fra Bel Power Solutions har et snævrere input-område på 85 til 264 V_AC og leverer op til 600 watt kontinuerlig outputseffekt og en spidseffekt på 720 watt i 1 ms (Figur 5). Disse PSU'er er tilgængelig med udgangsspændinger på 12, 15, 24, 30, 48 og 58 V_DC. VPS600-1048 har f.eks. et output på 48 V_DC. Disse enheder omfatter et standby-output på 5 V_DC, 500 milliampere (mA), og en ventilatorudgang på 12 volt, 500 mA. Mens ABC601-serien tilbydes i to pakningsmodeller, er VPS600-serien tilgængelig med tre med forskellig effekt: Konvektionskølede U-kanaler med en effekt på 600 watt, enheder med slidsede dæksler med en effekt på 420 watt og enheder med glatte dæksler med en effekt på 360 watt.

Figur 5: VSP600-serien er tilgængelige i tre pakkekonfigurationer med forskellige nominelle effektværdier; 600-watt konvektionskølede U-kanalenheder, 420-watt enheder med slidset dæksel og 360-watt enheder med almindeligt dæksel. (Billedkilde: Bel Power Solutions)

De forskellige muligheder for output-spænding og former for pakning har forskellige kurver for reducering. F.eks. er reducering for 24 V_DC output-enheder følgende:

• Åben ramme
  • Konventionsbelastning, 600 watt kontinuerligt op til 30 °C
• Slottet dæksel
  • Konvektionsbelastning, 420 watt kontinuerligt op til 30 °C
• Almindeligt omslag
  • Konvektionsbelastning, 360 watt kontinuerligt op til 30 °C
• Til alle dæksler
  • Reducering mellem 30 og 50 °C med 0,833 % pr. °C
  • Reducering over 50 °C med 2,5 % pr. °C til højst 70 °C

Effekten af input-spændingen

PSU-effektiviteten kan reduceres ved lavere input-spændinger, hvilket resulterer i en reducering af den nominelle output-effekt. For eksempel leverer ABE1200/MBE1200-seriens AC/DC-strømforsyninger 1200 watt med et input på 180 til 305 V_AC og 1000 watt med et inputområde på 85 til 180 V_AC (figur 6). Disse nominelle værdier er fra 0 til 60 °C. Ved 70 °C reduceres de lineært fra henholdsvis 1200 til 1100 watt og fra 1000 til 900 watt.

Figur 6: ABE1200/MBE1200 PSU'er leverer 1200 watt med input-spændinger fra 180 til 305 V_AC og 1000 watt med input-spændinger fra 85 til 180 V_AC. (Billedkilde: Bel Power Solutions)

Disse PSU'er omfatter en kontrol af ventilator hastigheden for at minimere hørbar støj, når der ikke er behov for maksimal luftstrøm. De er tilgængelige i tre 1U-højdekompatible pakker, herunder en lukket model med to ventilatorer (kun 24 V_DC-modeller) og et U-formet chassis med to beskyttelsesdæksler (Figur 7).

Figur 7: ABE1200 PSU'erne er tilgængelige med dobbelte ventilatore (kun 24 V_DC-modeller) og to valgmuligheder for beskyttelseskapper. (Billedkilde: Bel Power Solutions)

DIN er anderledes

LEN120-seriens PSU'er har en nominel effekt på 120 watt og er designet til standard DIN-skinnemontering. LEN120-12 leverer f.eks. et output på 12 V_DC over nominelle områder for input-spænding på 90 til 264 V_AC (universal) eller 127 til 370 V_DC (figur 9). Når DIN-skinne PSU'er belastningsreduceres, tages der i databladene ofte hensyn til input- og output-spændinger ud over driftstemperaturen. Til LEN120-serien:

• Alle modeller
  • Fra -20 °C til -10 °C, med en nominel 115 V_AC input, output-strømmen reduceres med 2 %/°C
  • Fra -20 °C til -10 °C med en nominel 230 V_AC input er der ikke behov for reduktion
  • Fra +40 °C til +60 °C med en nominel 115 V_AC input, reduceres output-effekten med 2,5 %/°C
  • For input-spændinger mellem 115 og 264 V_AC og mellem 162 og 370 V_DC er der ikke behov for reduktion
  • For input-spændinger mellem 115 og 90 V_AC og mellem 162 og 127 V_DC (lave linjeforhold), reduceres output-effekten med 1 %/V
• Model LEN120-12 (12 V_DC output)
  • Fra +45 °C til +60 °C, med en nominel 230 V_AC input, reduceres output-effekten med 3,33 %/°C
• Modellerne LEN120-24 og LEN120-48 (henholdsvis 24 og 48 V_DC output)
  • Fra +50 °C til +60 °C med en nominel 230 V_AC input, reduceres output-effekten med 5 %/°C

Figur 8: LEN120-seriens DIN-skinne PSU'er har en nominel effekt på 120 watt og er konvektionskølede. (Billedkilde: Bel Power Solutions)

Praktiske skridt mod bedre termiske design

Som det fremgår, indebærer integrationen af en PSU i et system komplekse termiske designproblemer. Der er flere praktiske skridt, som designere kan følge for at undgå ubehagelige overraskelser:

• PSU-producenten kan give detaljerede oplysninger om forholdet mellem ventilatorens luftstrøm og det statiske tryk (P-Q-kurven), så designerne kan vide, hvilken luftstrøm de skal forvente, hvis PSU-ventilatoren skal fungere med eller mod internt modtryk i systemet.
• Nogle producenter af PSU'er kan levere FlowTHERM-termiske modeller af PSU'en, som kan bruges i den overordnede systemmodel til at vurdere PSU'ens termiske ydeevne og identificere potentielle problemer.
• Få PSU-producenten til at gennemgå et termisk systemdesign og komme med anbefalinger til yderligere analyse eller bekræfte designets gyldighed.

Konklusion

Der er flere spørgsmål, der skal tages i betragtning, når man designer et termisk styringssystem til medicinske eller industrielle anvendelser. De omfatter systemets luftgennemstrømning, den indvirkning, som systemets ventilatorer kan have på ydeevnen for eventuelle ventilatorer, der er integreret i PSU'en, det specificerede driftstemperaturområde, behovet for at understøtte spidsbelastning og den indvirkning, som området for input-spænding kan have på strømforbruget.

For at hjælpe med at løse disse problemer kan designere henvende sig til PSU-designs fra Bel Industrial Power, der er optimeret til forskellige termiske miljøer og anvendelsesscenarier. Desuden kan producenter af PSU'er tilbyde værktøjer til termisk styring, som kan hjælpe med at fremskynde designprocessen.

Anbefalet læsning

1. Valg af ventilator