Come progettare efficacemente la gestione termica di un alimentatore per sistemi industriali e medicali

La gestione termica efficiente ed economica delle unità di alimentazione (PSU) è importante nella progettazione per garantire l'affidabilità di sistemi industriali e medicali. La progettazione di un sistema di gestione termica efficace per un'unità di alimentazione è un'attività complessa e dipendente dal tipo di unità, se a telaio chiuso oppure aperto.

Se si utilizza una PSU a telaio chiuso, il tipo di involucro ha un impatto sul flusso d'aria e sulla dissipazione termica. Sebbene le ventole siano utili, i progettisti devono considerare l'affidabilità delle ventole e la contropressione che causano, che può ridurre significativamente l'efficacia delle ventole della PSU, aumentando potenzialmente le temperature di funzionamento della PSU.

Le PSU hanno spesso un'efficienza inferiore in condizioni di bassa tensione della linea in ingresso. Di conseguenza, le unità che funzionano per periodi prolungati in condizioni di bassa tensione della linea di ingresso possono subire una maggiore dissipazione termica e necessitare di un raffreddamento aggiuntivo. Infine, le PSU richiedono spesso il declassamento in caso di funzionamento a temperature elevate, ad esempio nei sistemi industriali e medicali.

Per accelerare l'implementazione di sistemi di gestione termica efficaci, i progettisti possono rivolgersi a PSU progettate specificamente per l'uso in applicazioni industriali e medicali che offrono una serie di opzioni per la gestione termica.

Questo articolo esamina le sfide della gestione termica nella progettazione di sistemi industriali e medicali e offre una guida per la progettazione di soluzioni efficaci di gestione termica. Presenta quindi le opzioni per l'integrazione delle PSU nelle apparecchiature industriali e medicali, utilizzando come esempi le PSU di Bel Power Solutions e si conclude con alcuni passi pratici che i progettisti possono seguire quando integrano una PSU nel progetto termico generale del sistema.

Sfide per la gestione termica dell'alimentazione

Le sfide della gestione termica delle PSU includono il flusso d'aria del sistema e l'impatto che le ventole possono avere sulle prestazioni di qualsiasi ventola integrata nelle PSU, la temperatura di funzionamento dell'ambiente, la necessità di erogare potenza di picco e l'impatto che l'intervallo di tensione di ingresso può avere sulla dissipazione di potenza. Queste sono le prime considerazioni; questo articolo non tratta le considerazioni secondarie sulla gestione termica relative ai sistemi di montaggio su rack o ad ambienti speciali come i data center.

Una delle prime considerazioni è la direzione del flusso d'aria della PSU: il flusso d'aria normale crea una pressione positiva in uscita dal sistema e il flusso d'aria inverso crea una pressione positiva in entrata nel sistema (Figura 1).

Figura 1: In un flusso d'aria normale, la pressione positiva esce dal sistema (a sinistra). Con il flusso d'aria inverso, la pressione positiva entra nel sistema (a destra). (Immagine per gentile concessione di Bel Power Solutions)

Una ventola non è sufficiente

Molte PSU includono una ventola di raffreddamento. Anziché semplificare il progetto termico, una PSU con ventola lo può complicare con considerazioni sulla direzione del flusso d'aria e sull'impedenza e la pressione del flusso d'aria del sistema o del telaio. Le complicanze includono:

• Le ventole del sistema possono competere con quelle della PSU e ridurne l'efficacia, riducendo il flusso d'aria attraverso la PSU.
• L'ingresso alla ventola della PSU può presentare un'impedenza inaspettatamente elevata, riducendo il flusso d'aria attraverso la PSU.
• Cavi o altri ostacoli possono ostruire il flusso d'aria della PSU, riducendo l'efficacia delle ventole.

Le ventole del sistema e della PSU possono interagire in diversi modi; alcuni esempi sono illustrati nella Figura 2 qui sotto:

1. Le ventole della PSU producono un flusso d'aria normale, ma le prestazioni più elevate delle ventole del sistema determinano una pressione più bassa (negativa) all'interno del telaio, riducendo così l'efficacia delle ventole della PSU.
2. Le ventole della PSU producono un flusso d'aria inverso e le ventole del sistema contribuiscono al raffreddamento della PSU, non lo contrastano. Tuttavia, se l'aria che entra nell'unità di alimentazione proviene dal plenum di scarico del sistema, si possono creare problemi come una riduzione del flusso d'aria netto e problemi di ricircolo che causano l'accumulo di calore nell'unità di alimentazione.
3. L'ingresso dell'aria alla PSU è isolato dal flusso d'aria del telaio principale, proteggendo le ventole della PSU dalle interferenze delle ventole del sistema. Per ottenere il massimo beneficio, il canale del flusso d'aria per la PSU deve avere una bassa resistenza.

Figura 2: La progettazione termica deve tener conto della direzione del flusso d'aria nella PSU e della forza relativa delle ventole della PSU e del sistema. (Immagine per gentile concessione di Bel Power Solutions)

Potenza nominale e di picco e declassamento

Il declassamento è spesso diverso per la potenza di picco rispetto alla potenza nominale. Il fabbisogno energetico di picco varia da pochi millisecondi a 10 secondi o più, ed è una considerazione importante in molti sistemi industriali e medicali. Si pensi a due serie di PSU da 600 W ottimizzate per diversi picchi di potenza: la serie ABC601 di alimentatori c.a./c.c. industriali e medicali di Bel Power Solutions, con ha una potenza di picco nominale di 10 secondi, e la serie VPS600, con una potenza di picco nominale di 1 ms.

La serie ABC601 fornisce fino a 600 W di potenza di uscita regolata su un intervallo della tensione di ingresso da 85 a 305 V in corrente alternata (V_c.a.) in uscite singole da 24, 28, 36 o 48 V in corrente continua (V_c.c.). Ad esempio, il modello ABC601-1T48 ha un'uscita da 48 V_c.c.. Queste unità di alimentazione hanno una potenza nominale di 600 W continui o una potenza di picco fino a 800 W per un massimo di 10 secondi a 60 °C per i modelli con ventola frontale (Figura 3). Hanno un'uscita di potenza di standby a 5 V_c.c., con una potenza nominale di 1,2 A per i modelli con telaio U e di 1,5 A per i modelli con ventola frontale e un'uscita per la ventola a 12 V, 1 A.

Figura 3: I modelli di ventole frontali chiuse serie ABC601 erogano 600 W di potenza continua (linea rossa sul grafico superiore) o fino a 800 W per un massimo di 10 secondi (linea rossa sul grafico inferiore) fino a 60 °C. (Immagine per gentile concessione di Bel Power Solutions)

La serie ABC601 è disponibile in due versioni, con telaio U o con ventola frontale (Figura 4). La serie ABC601 presenta un circuito interno di ripartizione della corrente che consente il funzionamento in parallelo tra le unità per aumentare la potenza totale.

Figura 4: Le PSU ABC601 sono disponibili con raffreddamento a ventola (in alto) o per convezione (in basso). (Immagine per gentile concessione di Bel Power Solutions)

Le PSU a telaio aperto serie EOS Power VPS600 di Bel Power Solutions offrono un intervallo di ingresso più ristretto, da 85 a 264 V_c.a. e fino a 600 W di potenza di uscita continua e una potenza di picco di 720 W per 1 ms (Figura 5). Queste PSU sono disponibili con tensioni di uscita di 12, 15, 24, 30, 48 e 58 V_c.c.. Ad esempio, VPS600-1048 ha un'uscita di 48 V_c.c.. Queste unità includono un'uscita di potenza di standby a 5 V_c.c., 500 mA e un'uscita per la ventola a 12 V, 500 mA. Mentre la serie ABC601 è disponibile in due tipi di contenitore, la serie VPS600 è disponibile in tre versioni con potenze nominali diverse: unità a canale U raffreddate per convezione da 600 W, unità con coperchio scanalato da 420 W e unità con coperchio semplice da 360 W.

Figura 5: La serie VSP600 è disponibile in tre tipi di contenitore con diverse potenze nominali: unità a canale U raffreddate per convezione da 600 W, unità con coperchio scanalato da 420 W e unità con coperchio semplice da 360 W. (Immagine per gentile concessione di Bel Power Solutions)

Le varie opzioni della tensione di uscita e i vari tipi di contenitore presentano curve di riduzione delle prestazioni diverse. Ad esempio, il declassamento per le unità con uscita a 24 V_c.c. è pari a:

• Telaio aperto
  • Carico per convezione, 600 W continui fino a 30 °C
• Coperchio scanalato
  • Carico per convezione, 420 W continui fino a 30 °C
• Coperchio semplice
  • Carico per convezione, 360 W continui fino a 30 °C
• Per tutti gli stili di coperchio
  • Declassamento tra 30 e 50 °C dello 0,833% per °C
  • Declassamento oltre 50 °C del 2,5% per °C fino a un massimo di 70 °C

L'effetto della tensione di ingresso

L'efficienza della PSU può ridursi a tensioni di ingresso inferiori, con conseguente riduzione della potenza nominale di uscita. Ad esempio, gli alimentatori c.a./c.c. serie ABE1200/MBE1200 forniscono 1200 W con un ingresso da 180 a 305 V_c.a. e 1000 W con un ingresso da 85 a 180 V_c.a. (Figura 6). Questi valori nominali sono compresi tra 0 e 60 °C. A 70 °C, si riducono linearmente da 1200 a 1100 W e da 1000 a 900 W, rispettivamente.

Figura 6: Le PSU ABE1200/MBE1200 erogano 1200 W con tensioni di ingresso da 180 a 305 V_c.a. e 1000 W con tensioni di ingresso da 85 a 180 V_c.a.. (Immagine per gentile concessione di Bel Power Solutions)

Queste PSU includono un comando di velocità della ventola per ridurre al minimo il rumore udibile quando non è necessario il massimo flusso d'aria. Sono disponibili in tre contenitori compatibili con l'altezza 1U, tra cui un modello chiuso con due ventole (solo modelli a 24 V_c.c.) e un telaio a U con due opzioni di coperchio protettivo (Figura 7).

Figura 7: Le PSU ABE1200 sono disponibili con due ventole (solo per i modelli a 24 V_c.c.) e due tipi di coperchi protettivi. (Immagine per gentile concessione di Bel Power Solutions)

Per la guida DIN tutto è diverso

Le PSU serie LEN120 hanno una potenza nominale di 120 W e sono progettati per il montaggio su guida DIN standard. Ad esempio, il modello LEN120-12 fornisce un'uscita di 12 V_c.c. su intervalli della tensione di ingresso nominali da 90 a 264 V_c.a. (universale) o da 127 a 370 V_c.c. (Figura 9). Per il declassamento delle PSU su guida DIN, le schede tecniche spesso considerano contemporaneamente le tensioni di ingresso e di uscita, oltre alla temperatura di funzionamento. Per la serie LEN120:

• Tutti i modelli
  • Da -20 °C a -10 °C, con un ingresso nominale di 115 V_c.a., la potenza in uscita diminuisce del 2%/°C.
  • Da -20 °C a -10 °C, con un ingresso nominale di 230 V_c.a., non è richiesta alcuna riduzione della potenza.
  • Da +40 °C a +60 °C, con un ingresso nominale di 115 V_c.a., la potenza in uscita diminuisce del 2,5 %/°C.
  • Per tensioni di ingresso comprese tra 115 e 264 V_c.a. e tra 162 e 370 V_c.c., non è richiesta alcuna riduzione della potenza.
  • Per tensioni di ingresso comprese tra 115 e 90 V_c.a. e tra 162 e 127 V_c.c. (condizioni di linea bassa), la potenza di uscita si riduce dell'1%/V
• Modello LEN120-12 (uscita 12 V_c.c.)
  • Da +45 °C a +60 °C, con un ingresso nominale di 230 V_c.a., la potenza in uscita diminuisce del 3,33 %/°C.
• Modelli LEN120-24 e LEN120-48 (uscita rispettivamente a 24 e 48 V_c.c.)
  • Da +50 °C a +60 °C, con un ingresso nominale di 230 V_c.a., la potenza in uscita diminuisce del 5 %/°C.

Figura 8: Le PSU su guida DIN serie LEN120 hanno una potenza nominale di 120 W e sono raffreddate per convezione. (Immagine per gentile concessione di Bel Power Solutions)

Passi pratici verso una migliore progettazione termica

Come si è visto, l'integrazione di una PSU in un sistema comporta complessi problemi di progettazione termica. Esistono diversi accorgimenti pratici che i progettisti possono seguire per evitare spiacevoli sorprese:

• Il produttore della PSU può fornire informazioni dettagliate sulla relazione tra il flusso d'aria della ventola e la pressione statica (la curva P-Q), affinché i progettisti possano sapere quale flusso d'aria aspettarsi se la ventola della PSU funzionerà con o contro la contropressione interna del sistema.
• Alcuni produttori possono fornire modelli termici FlowTHERM della PSU, utili nel modello generale del sistema per valutare le prestazioni termiche della PSU e identificare potenziali problemi.
• Chiedete al produttore della PSU di esaminare il progetto termico di un sistema e di formulare raccomandazioni per ulteriori analisi o di confermare la validità del progetto.

Conclusione

Quando si progetta un sistema di gestione termica di un'unità di alimentazione per applicazioni medicali o industriali, si devono considerare diversi aspetti. Tra questi, il flusso d'aria del sistema e l'impatto che le ventole possono avere sulle prestazioni di qualsiasi ventola integrata nelle PSU, la temperatura di funzionamento specificata, la necessità di erogare potenza di picco e l'impatto che l'intervallo di tensione di ingresso può avere sulla dissipazione di potenza.

Per risolvere questi problemi, i progettisti possono rivolgersi ai progetti di PSU di Bel Industrial Power, ottimizzati per diversi ambienti termici e scenari applicativi. Inoltre, i produttori di PSU offrono strumenti di gestione termica che possono aiutare a velocizzare la progettazione.

Letture consigliate

1. Come scegliere una ventola