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來(lái)源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 在設(shè)計(jì)工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)時(shí)，高效、合算的電源單元 (PSU) 熱管理對(duì)確�？煽啃苑浅Ｖ匾ＴO(shè)計(jì)一個(gè)有效的 PSU 熱管理系統(tǒng)很復(fù)雜，這在很大程度上取決于 PSU 封裝是封閉式還是開(kāi)放式的。 如果使用的是封閉式 PSU，外殼類型會(huì)對(duì)氣流和散熱就會(huì)產(chǎn)生影響。雖然風(fēng)扇有幫助，但設(shè)計(jì)者需要考慮風(fēng)扇的可靠性，以及系統(tǒng)風(fēng)扇造成的背壓，這可能會(huì)大大降低 PSU 風(fēng)扇的效率，同時(shí)可能會(huì)增加 PSU 的工作溫度。 在輸入線路電壓較低的情況下，PSU 的效率通常較低。因此，在輸入線路電壓較低的條件下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備熱耗散更高，需要額外的冷卻。最后，在工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)中如果出現(xiàn)可能的高溫時(shí)，PSU 通常需要降額運(yùn)行。 為了加快有效熱管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)者可以采用專門(mén)為工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用設(shè)計(jì)的 PSU，它們提供了一系列熱管理選擇。 本文回顧了設(shè)計(jì)工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)時(shí)的熱管理挑戰(zhàn)，并為設(shè)計(jì)有效的熱管理解決方案提供了指導(dǎo)。然后，本文以 Bel Power Solutions 的 PSU 為例，介紹了將 PSU 集成到工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備中有哪些選擇，最后介紹了設(shè)計(jì)者在將 PSU 集成到整個(gè)系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)中時(shí)可以采取的一些實(shí)用步驟。 電源熱管理的挑戰(zhàn) PSU 熱管理的挑戰(zhàn)包括：系統(tǒng)氣流和系統(tǒng)風(fēng)扇對(duì)集成到 PSU 中的任何風(fēng)扇性能的影響、環(huán)境工作溫度、對(duì)峰值功率傳輸?shù)男枨笠约拜斎腚妷悍秶鷮?duì)功率耗散的影響。這些都是一級(jí)考慮因素，本文不涉及與機(jī)架安裝系統(tǒng)或數(shù)據(jù)中心等特殊環(huán)境有關(guān)的二級(jí)熱管理考慮。 首要考慮問(wèn)題之一是 PSU 的氣流方向；正常的氣流產(chǎn)生正壓排出系統(tǒng)，反向的氣流產(chǎn)生正壓進(jìn)入系統(tǒng)（圖 1）。 
圖 1：在正常氣流中，正壓流出系統(tǒng)（左）。在反向氣流中，正壓進(jìn)入系統(tǒng)（右）。（圖片: Bel Power Solutions） 一個(gè)風(fēng)扇是不夠的 許多 PSU 會(huì)包括一個(gè)冷卻風(fēng)扇。PSU 使用風(fēng)扇非但不能簡(jiǎn)化散熱設(shè)計(jì)，反而會(huì)使散熱設(shè)計(jì)復(fù)雜化，需要考慮氣流方向以及系統(tǒng)或機(jī)箱的氣流阻抗和壓力。負(fù)面影響包括： · 系統(tǒng)風(fēng)扇可能會(huì)與 PSU 風(fēng)扇產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，并降低其有效性，減少了通過(guò) PSU 的氣流。 · 通往 PSU 風(fēng)扇的入口可能有一個(gè)意想不到的高阻抗，會(huì)減少通過(guò) PSU 的氣流。 · 電纜或其他障礙物會(huì)阻礙 PSU 的氣流，降低風(fēng)扇的效率。 系統(tǒng)風(fēng)扇與 PSU 風(fēng)扇有幾種相互影響方式，具體實(shí)例見(jiàn)下圖 2。 1、PSU 風(fēng)扇產(chǎn)生正常的氣流，但系統(tǒng)風(fēng)扇的高性能導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)的壓力降低（負(fù)壓），從而降低 PSU 風(fēng)扇的效率。 2、PSU 風(fēng)扇產(chǎn)生反向的氣流，系統(tǒng)風(fēng)扇會(huì)幫助 PSU 散熱，而不是增加熱量。然而，如果進(jìn)入 PSU 的空氣來(lái)自于系統(tǒng)的排氣管道，那就會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，包括凈氣流的減少，以及導(dǎo)致 PSU 中熱量積累的再循環(huán)問(wèn)題。 3、PSU 的空氣入口與主機(jī)箱氣流隔離，保護(hù) PSU 風(fēng)扇免受系統(tǒng)風(fēng)扇的干擾。為了實(shí)現(xiàn)最大的效益，PSU 的氣流通道應(yīng)該是低阻力的。
圖 2：散熱設(shè)計(jì)必須考慮到 PSU 的氣流方向以及 PSU 和系統(tǒng)風(fēng)扇的相對(duì)強(qiáng)度。（圖片來(lái)源：Bel Power Solutions） 峰值功率與額定功率的降額 降額對(duì)于峰值功率和額定功率通常是不同的。峰值功率需求變化很大，從幾毫秒 (ms) 到 10 秒或更長(zhǎng)時(shí)間，是許多工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)中的一個(gè)重要考慮因素。我們來(lái)看一下 Bel Power Solutions 的兩個(gè)針對(duì)不同峰值功率輸送進(jìn)行優(yōu)化的 600 瓦 PSU 系列：峰值功率持續(xù)時(shí)間為 10 秒的 ABC601 系列工業(yè)和醫(yī)療 AC-DC 電源和峰值功率持續(xù)時(shí)間為 1 ms 的 VPS600 系列。 ABC601 系列在 85 至 305 伏交流電 (VAC) 的輸入電壓范圍內(nèi)提供最高 600 瓦的穩(wěn)壓輸出功率，單輸出電壓為 24、28、36 或 48 伏直流電 (VDC)。例如，ABC601-1T48 有一個(gè) 48 VDC 的輸出。這些 PSU 具有 600 瓦連續(xù)額定功率或最高 800 瓦的峰值功率（在最高 60℃ 的溫度下持續(xù) 10 秒），適用于封閉式前端安裝風(fēng)扇型號(hào)（圖 3）。它們有一個(gè) 5 VDC 待機(jī)電源輸出，U 型機(jī)箱型號(hào)的額定電流為 1.2 安培 (A)，前端安裝的風(fēng)扇型號(hào)為 1.5 A，此還還有一個(gè) 12 伏、1 安培的風(fēng)扇輸出。
圖 3：ABC601 系列封閉式前端安裝風(fēng)扇型號(hào)可提供 600 瓦的連續(xù)功率（上圖紅線）或在最高 60°C 溫度下提供最高 800 瓦 10 秒鐘峰值功率（下圖紅線）。（圖片來(lái)源：Bel Power Solutions） ABC601 系列采用兩種封裝，U 型框架外殼或帶有前端安裝風(fēng)扇的封閉式外殼（圖 4）。ABC601系列有一個(gè)內(nèi)部分流電路，用于單元之間的并聯(lián)操作，以提高總功率。
圖 4：ABC601 PSU 提供風(fēng)扇冷卻（上）或?qū)α骼鋮s（下）兩種選擇。（圖片來(lái)源：Bel Power Solutions） Bel Power Solutions 的 EOS Power VPS600 系列開(kāi)放式 PSU 的輸入范圍更窄，為 85 至 264 VAC，可提供最高 600 瓦的連續(xù)輸出功率和 720 瓦 1 毫秒的峰值功率（圖 5）。這些 PSU 的輸出電壓為 12、15、24、30、48 和 58 VDC。例如，VPS600-1048 的輸出電壓為 48 VDC。這些裝置包括一個(gè) 5 VDC、500 毫安 (mA) 的待機(jī)電源輸出和一個(gè) 12 伏、500 mA 的風(fēng)扇電源輸出。ABC601 系列有兩種封裝方式，而 VPS600 系列則有三種不同的額定功率：額定功率為 600 瓦的對(duì)流冷卻 U 型槽式、額定功率為 420 瓦的開(kāi)槽蓋板單元，以及額定功率為 360 瓦的普通蓋板單元。
圖 5：VSP600 系列有三種封裝配置，具有不同的額定功率；600 瓦的對(duì)流冷卻 U 型槽單元、420 瓦的開(kāi)槽蓋板單元和 360 瓦的普通蓋板單元。（圖片來(lái)源：Bel Power Solutions） 各種輸出電壓選項(xiàng)和封裝樣式具有不同的降額曲線。例如，24 VDC 輸出單元的降額數(shù)據(jù)如下： · 開(kāi)放式 對(duì)流負(fù)載，600 瓦的連續(xù)功率，最高 30°C · 開(kāi)槽蓋板 對(duì)流負(fù)載，420 瓦的連續(xù)功率，最高 30℃ · 普通蓋板 對(duì)流負(fù)載，360 瓦的連續(xù)功率，最高 30℃ · 適用所有蓋板樣式 在 30 和 50 °C 之間降額為每 °C 降 0.833% 在 50°C 以上，每 °C 降 2.5%，最高為 70°C 輸入電壓影響 在較低的輸入電壓下，PSU 的效率可能會(huì)降低，從而導(dǎo)致額定輸出功率的降低。例如，ABE1200/MBE1200 系列 AC-DC 電源提供 1200 瓦和 1000 瓦功率，輸入電壓范圍分別為 180 至 305 VAC 和 85 至 180 VAC（圖 6）。其額定溫度范圍為 0 至 60℃。在 70℃ 時(shí)，它們分別從 1200 瓦線性降至 1100 瓦和從 1000 瓦降至 900 瓦。
圖 6：ABE1200/MBE1200 PSU 在輸入電壓為 180 至 305 VAC 時(shí)提供 1200 瓦功率，在輸入電壓為 85 至 180 VAC 時(shí)提供 1000 瓦功率。（圖片來(lái)源：Bel Power Solutions） 這些 PSU 包括一個(gè)風(fēng)扇速度控制，以便在不需要最大氣流時(shí)將可聞噪聲降到最低。它們提供三種 1U 高度的兼容封裝，包括帶有兩個(gè)風(fēng)扇的封閉式型號(hào)（僅 24 VDC 型號(hào)），以及帶有兩個(gè)保護(hù)罩選件的 U 形外殼（圖 7）。
圖 7：ABE1200 PSU 提供雙風(fēng)扇（僅 24 VDC 型號(hào)）和兩種保護(hù)罩選擇。（圖片來(lái)源：Bel Power Solutions） DIN 是不同的 LEN120 系列 PSU 的額定功率為 120 瓦，設(shè)計(jì)用于標(biāo)準(zhǔn) DIN 導(dǎo)軌安裝。例如，LEN120-12 在 90 至 264 VAC（通用）或 127 至 370 VAC（圖 9）的額定輸入電壓范圍內(nèi)提供 12 VDC 輸出。在對(duì) DIN 導(dǎo)軌 PSU 進(jìn)行降額時(shí)，規(guī)格書(shū)通常會(huì)同步考慮輸入和輸出電壓，以及工作溫度。對(duì)于 LEN120 系列： · 所有型號(hào) 從 -20°C 到 -10°C，標(biāo)稱 115 VAC 輸入，輸出功率降 2%/°C 從 -20°C 到 -10°C，標(biāo)稱 230 VAC 輸入，不需要降額。 從 +40°C 到 +60°C，標(biāo)稱 115 VAC 輸入，輸出功率降 2.5%/°C 當(dāng)輸入電壓在 115 至 264 VAC 之間和 162 至 370 VDC 之間時(shí)，不需要降額。 當(dāng)輸入電壓在 115 和 90 VAC 之間以及 162 和 127 VDC 之間時(shí)（低線路電壓條件下），輸出功率降 1%/V · 型號(hào) LEN120-12（12 VDC 輸出） 從 +45°C 到 +60°C，額定 230 VAC 輸入，輸出功率降 3.33%/°C · 型號(hào) LEN120-24 和 LEN120-48（分別為 24 和 48 VDC 輸出） 從 +50°C 到 +60°C，標(biāo)稱 230 VAC 輸入，輸出功率降 5%/°C
圖 8：LEN120 系列 DIN 導(dǎo)軌 PSU 的額定功率為 120 瓦，采用對(duì)流冷卻。（圖片來(lái)源：Bel Power Solutions） 實(shí)現(xiàn)更好熱設(shè)計(jì)的實(shí)用步驟 如上所述，將 PSU 集成到系統(tǒng)中涉及復(fù)雜的熱設(shè)計(jì)問(wèn)題。有幾個(gè)實(shí)用的步驟可供設(shè)計(jì)者參考，以免出現(xiàn)不愉快的意外： · PSU 制造商會(huì)提供關(guān)于風(fēng)扇氣流和靜壓之間關(guān)系的詳細(xì)信息（P-Q 曲線），這樣設(shè)計(jì)者就能知道，當(dāng) PSU 風(fēng)扇在系統(tǒng)內(nèi)部背壓下運(yùn)行時(shí)應(yīng)該有什么樣的氣流。 · 有些 PSU 制造商可以提供 PSU 的 FlowTHERM 熱力模型，可用于整個(gè)系統(tǒng)模型，以評(píng)估 PSU 的熱力性能并確定潛在的問(wèn)題。 · 從而讓 PSU 制造商評(píng)審系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)并提出進(jìn)一步分析建議，或確認(rèn)設(shè)計(jì)的有效性。 結(jié)語(yǔ) 在為醫(yī)療或工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì) PSU 熱管理系統(tǒng)時(shí)，有幾個(gè)問(wèn)題需要考慮。具體包括系統(tǒng)氣流、系統(tǒng)風(fēng)扇對(duì)集成在 PSU 中的任何風(fēng)扇性能的影響、指定的工作溫度范圍、支持峰值功率傳輸?shù)男枰约拜斎腚妷悍秶鷮?duì)功率耗散的影響。 為了幫助解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)者可以采用 Bel Industrial Power 的 PSU 設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@些設(shè)計(jì)針對(duì)不同的熱環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了優(yōu)化。此外，PSU 制造商提供的熱管理工具也能有助于加快設(shè)計(jì)進(jìn)程。 |
