วิธีการออกแบบการจัดการความร้อนของพาวเวอร์ซัพพลายที่มีประสิทธิภาพในระบบอุตสาหกรรมและการแพทย์

การจัดการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพและคุ้มค่าสำหรับหน่วยจ่ายไฟ (PSU) เป็นสิ่งสำคัญเมื่อออกแบบระบบอุตสาหกรรมและการแพทย์เพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือ การออกแบบระบบการจัดการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพสำหรับ PSU นั้นเป็นกิจกรรมที่ซับซ้อน และมากขึ้นอยู่กับว่า PSU นั้นถูกปิดล้อมหรือเปิดเฟรม

หากใช้ PSU แบบปิด ประเภทของกล่องหุ้มจะส่งผลต่อการไหลเวียนของอากาศและการกระจายความร้อน แม้ว่าพัดลมจะช่วยได้ นักออกแบบจำเป็นต้องพิจารณาความน่าเชื่อถือของพัดลมและแรงดันย้อนกลับที่เกิดจากพัดลมของระบบ ซึ่งสามารถลดประสิทธิภาพของพัดลม PSU ได้อย่างมาก ซึ่งอาจเพิ่มอุณหภูมิการทำงานของ PSU

PSU มักจะมีประสิทธิภาพต่ำกว่าในสภาวะแรงดันไฟอินพุตต่ำ เป็นผลให้หน่วย PSU ที่ทำงานเป็นเวลานานโดยมีสายไฟป้อนต่ำอาจส่งผลให้มีการกระจายความร้อนที่สูงขึ้นและจำเป็นต้องระบายความร้อนเพิ่มเติม สุดท้าย PSUs มักจะต้องลดระดับหากใช้งานที่อุณหภูมิสูงที่สามารถพบได้ในระบบอุตสาหกรรมและการแพทย์

เพื่อเพิ่มความเร็วในการใช้งานระบบการจัดการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ นักออกแบบสามารถหันไปใช้ PSU ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับใช้ในงานอุตสาหกรรมและการแพทย์ที่มีตัวเลือกการจัดการระบายความร้อนที่หลากหลาย

บทความนี้ทบทวนความท้าทายในการจัดการความร้อนเมื่อออกแบบระบบอุตสาหกรรมและการแพทย์ และเสนอแนวทางสำหรับการออกแบบโซลูชันการจัดการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ จากนั้นจะนำเสนอตัวเลือกเมื่อรวม PSU เข้ากับอุปกรณ์อุตสาหกรรมและการแพทย์โดยใช้ PSU จาก ฺBel Power Solutions เป็นตัวอย่างในโลกแห่งความเป็นจริง และปิดด้วยขั้นตอนที่ใช้งานได้จริง นักออกแบบสามารถปฏิบัติตามเมื่อรวม PSU เข้ากับการออกแบบระบบระบายความร้อนโดยรวม

ความท้าทายในการจัดการความร้อนของพาวเวอร์ซัพพลาย

ความท้าทายในการจัดการความร้อนของ PSU รวมถึงการไหลเวียนของอากาศของระบบและผลกระทบที่พัดลมของระบบสามารถมีต่อประสิทธิภาพของพัดลมใด ๆ ที่รวมอยู่ใน PSU อุณหภูมิแวดล้อมในการทำงาน ความต้องการการจ่ายพลังงานสูงสุด และผลกระทบที่ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตอาจมีต่อการกระจายพลังงาน นี่เป็นข้อพิจารณาอันดับแรก บทความนี้ไม่ได้กล่าวถึงข้อควรพิจารณาในการจัดการระบายความร้อนอันดับสองที่เกี่ยวข้องกับระบบแร็คเมาท์หรือสภาพแวดล้อมพิเศษ เช่น ศูนย์ข้อมูล

ข้อควรพิจารณาประการแรกคือทิศทางการไหลของอากาศของ PSU โดยกระแสลมปกติจะสร้างแรงดันบวกออกจากระบบ และกระแสลมย้อนกลับจะสร้างแรงดันบวกเข้าสู่ระบบ (ภาพที่ 1)

รูปที่ 1: ในกระแสลมปกติ แรงดันบวกออกจากระบบ (ซ้าย) ด้วยกระแสลมย้อนกลับ แรงดันบวกจะเข้าสู่ระบบ (ขวา) (ภาพ: Bel Power Solutions)

พัดลมนั้นไม่พอ

PSU หลายตัวมีพัดลมระบายความร้อน แทนที่จะทำให้การออกแบบระบบระบายความร้อนง่ายขึ้น PSU ที่มีพัดลมอาจทำให้การออกแบบระบายความร้อนมีความซับซ้อนโดยคำนึงถึงทิศทางการไหลของอากาศตลอดจนอิมพีแดนซ์และแรงดันลมของระบบหรือแชสซีส ภาวะแทรกซ้อน ได้แก่ :

• พัดลมระบบสามารถแข่งขันกับและลดประสิทธิภาพของพัดลม PSU ได้ ลดการไหลเวียนของอากาศผ่าน PSU
• การเข้าสู่พัดลม PSU สามารถมีอิมพีแดนซ์สูงโดยได้ไม่คาดคิด ช่วยลดการไหลของอากาศผ่าน PSU
• สายเคเบิลหรือสิ่งกีดขวางอื่น ๆ สามารถปิดกั้นกระแสลมของ PSU ได้ ทำให้ประสิทธิภาพของพัดลมลดลงได้

มีหลายวิธีที่ระบบและพัดลม PSU สามารถโต้ตอบได้ ตัวอย่างแสดงในรูปที่ 2 ด้านล่าง

1. พัดลม PSU สร้างกระแสลมตามปกติ แต่ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นของพัดลมระบบส่งผลให้แรงดัน (ลบ) ภายในแชสซีลดลง ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพของพัดลม PSU ลดลง
2. พัดลม PSU จะสร้างกระแสลมย้อนกลับและพัดลมของระบบกำลังช่วยให้ PSU เย็นลงโดยไม่กระทบกระเทือน อย่างไรก็ตาม หากอากาศที่เข้าสู่ PSU มาจากท่อไอเสียของระบบ อาจทำให้เกิดปัญหาซึ่งรวมถึงการไหลเวียนของอากาศสุทธิที่ลดลง ตลอดจนปัญหาการหมุนเวียนที่ทำให้เกิดความร้อนสะสมใน PSU
3. ช่องอากาศเข้าสู่ PSU แยกออกจากกระแสลมของแชสซีหลัก เพื่อป้องกันพัดลม PSU จากการรบกวนจากพัดลมของระบบ เพื่อให้เกิดประโยชน์สูงสุด ช่องระบายอากาศสำหรับ PSU ควรมีความต้านทานต่ำ

รูปที่ 2: การออกแบบระบบระบายความร้อนจะต้องคำนึงถึงทิศทางการไหลของอากาศใน PSU และจุดแข็งสัมพัทธ์ของ PSU และพัดลมของระบบ (แหล่งรูปภาพ: Bel Power Solutions)

พิกัดกำลังสูงสุดเทียบกับค่ากำลังและการลดพิกัด

การลดระดับมักจะแตกต่างกันสำหรับกำลังสูงสุดกับกำลังระบุ ความต้องการพลังงานสูงสุดแตกต่างกันไปตั้งแต่ไม่กี่มิลลิวินาที (ms) ถึง 10 วินาทีหรือมากกว่า และถือเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญในระบบอุตสาหกรรมและการแพทย์จำนวนมาก พิจารณาชุด PSU 600 วัตต์สองชุดที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับการจ่ายพลังงานสูงสุดที่แตกต่างกัน ABC601 ซีรีส์ ของอุปกรณ์จ่ายไฟ AC-DC ทางอุตสาหกรรมและทางการแพทย์จาก Bel Power Solutions ที่ได้รับการจัดอันดับการจ่ายพลังงานสูงสุด 10 วินาที และVPS600 ซีรีส์ ที่พิกัดกำลังสูงสุด 1 มิลลิวินาที

ซีรี่ส์ ABC601 ให้กำลังขับที่มีการควบคุมสูงสุด 600 วัตต์ในช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตตั้งแต่ 85 ถึง 305 โวลต์กระแสสลับ (V_AC) ในเอาต์พุตเดี่ยว 24, 28, 36 หรือ 48 โวลต์กระแสตรง (V_DC) ตัวอย่างเช่น ABC601-1T48 มี 48 V_DC เอาท์พุท PSU เหล่านี้ได้รับการจัดอันดับสำหรับกำลังไฟต่อเนื่อง 600 วัตต์ หรือกำลังไฟสูงสุดถึง 800 วัตต์ นานถึง 10 วินาทีที่สูงถึง 60°C สำหรับรุ่นพัดลมที่ติดตั้งด้านหน้าแบบปิด (รูปที่ 3) โดยจะมี 5 V_DC กำลังไฟฟ้าสแตนด์บายที่พิกัด 1.2 แอมแปร์ (A) สำหรับรุ่นแชสซีส U และ 1.5 A สำหรับรุ่นพัดลมแบบติดตั้งด้านหน้า และเอาต์พุตพัดลม 12 โวลต์ 1 A

รูปที่ 3: รุ่นพัดลมติดด้านหน้าแบบปิดของซีรีส์ ABC601 ให้กำลังไฟฟ้าต่อเนื่อง 600 วัตต์ (เส้นสีแดงบนกราฟด้านบน) หรือสูงถึง 800 วัตต์ นานสูงสุด 10 วินาที (เส้นสีแดงบนกราฟด้านล่าง) ที่อุณหภูมิสูงถึง 60°C (แหล่งรูปภาพ: Bel Power Solutions)

ซีรีส์ ABC601 มาในสองแพ็คเกจ แชสซี U-frame หรือปิดด้วยพัดลมด้านหน้า (รูปที่ 4) ซีรีส์ ABC601 มีวงจรแบ่งกระแสไฟภายในสำหรับการทำงานแบบขนานระหว่างหน่วยต่างๆ เพื่อเพิ่มกำลังทั้งหมด

รูปที่ 4: ABC601 PSU มีทั้งแบบพัดลมระบายความร้อน (ด้านบน) หรือการระบายความร้อนแบบหมุนเวียน (ด้านล่าง) (แหล่งรูปภาพ: Bel Power Solutions)

PSU แบบเปิดเฟรมซีรีย์ EOS Power VPS600 จาก Bel Power Solutions มีช่วงอินพุตที่แคบกว่า 85 ถึง 264 V_AC และให้กำลังขับต่อเนื่องสูงสุด 600 วัตต์ และกำลังสูงสุด 720 วัตต์ เป็นเวลา 1 มิลลิวินาที (ภาพที่ 5) PSU เหล่านี้ใช้ได้กับแรงดันเอาต์พุต 12, 15, 24, 30, 48 และ 58 V_DC ตัวอย่างเช่น VPS600-1048 มีเอาต์พุต 48 V_DC หน่วยเหล่านี้รวมถึงเอาต์พุตพลังงานสแตนด์บาย 5 V_DC, 500 มิลลิแอมป์ (mA) และเอาต์พุตพัดลม 12 โวลต์, 500 mA, ในขณะที่ซีรีย์ ABC601 มีให้เลือกสองรูปแบบ แต่ซีรีย์ VPS600 มีให้เลือกสามแบบโดยมีระดับพลังงานที่แตกต่างกัน: ช่อง U ที่ระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนที่พิกัด 600 วัตต์, หน่วยครอบแบบ slotted ที่มีพิกัด 420 วัตต์ และหน่วยปิดแบบธรรมดาที่มีพิกัด 360 วัตต์

รูปที่ 5: ซีรีส์ VSP600 มีให้เลือกสามรูปแบบแพ็กเกจพร้อมพิกัดกำลังไฟฟ้าที่ต่างกัน หน่วยช่อง U ที่ระบายความร้อนด้วยการพาความร้อน 600 วัตต์, หน่วยครอบแบบ slotted 420 วัตต์ และหน่วยครอบธรรมดา 360 วัตต์ (แหล่งรูปภาพ: Bel Power Solutions)

ตัวเลือกแรงดันไฟขาออกและรูปแบบบรรจุภัณฑ์ต่าง ๆ มีเส้นโค้งลดพิกัดที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น การลดค่าของ 24 V_DC หน่วยส่งออกคือ

• เปิดเฟรม
  • โหลดการพาความร้อน 600 วัตต์ต่อเนื่องสูงสุด 30°C
• ฝาปิดรู
  • โหลดการพาความร้อน 420 วัตต์ต่อเนื่องสูงสุด 30°C
• ปกธรรมดา
  • โหลดการพาความร้อน 360 วัตต์ต่อเนื่องสูงสุด 30°C
• สำหรับทุกรูปแบบปก
  • ลดอุณหภูมิระหว่าง 30 ถึง 50°C 0.833% ต่อ °C
  • ลดอุณหภูมิที่สูงกว่า 50°C ลง 2.5% ต่อ °C เป็นสูงสุดที่ 70°C

เอฟเฟกต์แรงดันไฟอินพุต

ประสิทธิภาพของ PSU สามารถลดลงได้ที่แรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ต่ำกว่า ส่งผลให้กำลังไฟฟ้าขาออกที่ระบุลดลง ตัวอย่างเช่น ABE1200/MBE1200 ซีรีส์ ของแหล่งจ่ายไฟ AC-DC ให้กำลังไฟ 1200 วัตต์พร้อมอินพุต 180 ถึง 305 V_AC และ 1,000 วัตต์พร้อมช่วงอินพุต 85 ถึง 180 V_AC (รูปที่ 6) ระดับเล็กน้อยเหล่านี้อยู่ระหว่าง 0 ถึง 60°C ที่อุณหภูมิ 70 องศาเซลเซียส พวกมันจะลดระดับเชิงเส้นจาก 1200 ถึง 1100 วัตต์ และจาก 1,000 ถึง 900 วัตต์ตามลำดับ

รูปที่ 6: ABE1200/MBE1200 PSUs ให้กำลังไฟ 1200 วัตต์พร้อมแรงดันไฟฟ้าขาเข้าตั้งแต่ 180 ถึง 305 V_AC และ 1,000 วัตต์พร้อมแรงดันไฟฟ้าขาเข้าตั้งแต่ 85 ถึง 180 V_AC (แหล่งรูปภาพ: Bel Power Solutions)

PSU เหล่านี้มีระบบควบคุมความเร็วพัดลมเพื่อลดเสียงรบกวนเมื่อไม่ต้องการให้มีกระแสลมสูงสุด มีจำหน่ายในแพ็คเกจที่รองรับความสูง 1U สามชุด รวมถึงรุ่นปิดพร้อมพัดลมสองตัว (รุ่น 24 V_DCเท่านั้น) และแชสซีสรูปตัวยูพร้อมตัวเลือกฝาครอบป้องกันสองตัว (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: ABE1200 PSU พร้อมพัดลมคู่ (รุ่น 24 V_{กระแสตรง} เท่านั้น) และฝาครอบป้องกันสองตัวเลือก (แหล่งรูปภาพ: Bel Power Solutions)

DIN แตกต่างกัน

LEN120 ซีรีส์ เป็น PSU ที่มีอัตรากำลังไฟฟ้า 120 วัตต์ และได้รับการออกแบบสำหรับการติดตั้งราง DIN มาตรฐาน ตัวอย่างเช่น LEN120-12 ให้เอาต์พุต 12 V_DC มากกว่าช่วงแรงดันไฟอินพุตที่กำหนด 90 ถึง 264 V_AC (สากล) หรือ 127 ถึง 370 V_DC (รูปที่ 9) เมื่อลดพิกัด PSU ของราง DIN เอกสารข้อมูลมักจะพิจารณาแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและขาออกพร้อมกัน นอกเหนือจากอุณหภูมิในการทำงาน สำหรับ LEN120 ซีรีส์

• ทุกรุ่น
  • ตั้งแต่ -20 °C ถึง -10°C ด้วยค่าเล็กน้อย 115 V_AC อินพุต, กำลังขับลดลง 2%/°C
  • ตั้งแต่ -20 °C ถึง -10 °C โดยมีค่าเล็กน้อย 230 V_AC อินพุตไม่จำเป็นต้องลดทอน
  • ตั้งแต่ +40°C ถึง +60°C ด้วยค่าเล็กน้อย 115 V_AC อินพุต, กำลังขับลดลง 2.5%/°C
  • สำหรับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าระหว่าง 115 ถึง 264 V_AC และระหว่าง 162 ถึง 370 V_DC , ไม่จำเป็นต้องลดทอน
  • สำหรับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าระหว่าง 115 ถึง 90 V_AC และระหว่าง 162 ถึง 127 V_{กระแสตรง} (สภาพสายต่ำ) กำลังขับลดลง 1%/V
• รุ่น LEN120-12 (12 V_DC เอาท์พุท)
  • ตั้งแต่ +45°C ถึง +60°C ด้วยค่าเล็กน้อย 230 V_AC อินพุต, กำลังขับลดลง 3.33%/°C
• รุ่น LEN120-24 และ LEN120-48 (24 และ 48 V_DC เอาท์พุต ตามลำดับ)
  • ตั้งแต่ +50°C ถึง +60°C ด้วยค่าเล็กน้อย 230 V_AC อินพุต, กำลังขับลดลง 5%/°C

รูปที่ 8: PSU ราง DIN ของ LEN120 ซีรีส์มีกำลังไฟ 120 วัตต์และระบายความร้อนด้วยการพาความร้อน (แหล่งรูปภาพ: Bel Power Solutions)

ขั้นตอนที่ใช้งานได้จริงเพื่อการออกแบบความร้อนที่ดีขึ้น

ดังที่แสดงไว้ การรวม PSU เข้ากับระบบเกี่ยวข้องกับปัญหาการออกแบบระบายความร้อนที่ซับซ้อน มีหลายขั้นตอนที่นักออกแบบสามารถปฏิบัติตามเพื่อช่วยหลีกเลี่ยงความไม่พึงประสงค์ที่ไม่คาดคิด ดังนี้่

• ผู้ผลิต PSU สามารถให้ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างการไหลของอากาศของพัดลมและแรงดันสถิต (เส้นโค้ง PQ) ช่วยให้นักออกแบบทราบถึงกระแสลมที่คาดหวังหากพัดลม PSU จะทำงานโดยมีหรือต่อต้านแรงดันย้อนกลับภายในในระบบ
• ผู้ผลิต PSU บางรายสามารถจัดหาแบบจำลองการระบายความร้อน FlowTHERM ของ PSU ที่สามารถใช้ในแบบจำลองระบบโดยรวมเพื่อประเมินประสิทธิภาพการระบายความร้อนของ PSU และระบุข้อกังวลที่อาจเกิดขึ้น
• ให้ผู้ผลิต PSU ตรวจสอบการออกแบบระบายความร้อนของระบบและให้คำแนะนำสำหรับการวิเคราะห์เพิ่มเติม หรือยืนยันความถูกต้องของการออกแบบ

สรุป

มีหลายประเด็นที่ต้องพิจารณาเมื่อออกแบบระบบจัดการระบายความร้อนของ PSU สำหรับการใช้งานทางการแพทย์หรือทางอุตสาหกรรม ซึ่งรวมถึงการไหลเวียนของอากาศของระบบ ผลกระทบที่พัดลมของระบบสามารถมีต่อประสิทธิภาพของพัดลมใดๆ ที่รวมอยู่ใน PSU ช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ระบุ ความจำเป็นในการสนับสนุนการจ่ายพลังงานสูงสุด และผลกระทบที่ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตอาจมีต่อการกระจายพลังงาน

เพื่อช่วยแก้ปัญหาเหล่านี้ นักออกแบบสามารถหันไปใช้การออกแบบ PSU จาก Bel Industrial Power ที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับสภาพแวดล้อมทางความร้อนและสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกันไป นอกจากนี้ยังมีเครื่องมือจัดการระบายความร้อนจากผู้ผลิต PSU ที่สามารถช่วยเร่งกระบวนการออกแบบได้

บทความแนะนำ

1. การเลือกพัดลม