Netzteile in industriellen und medizinischen Anwendungen entwärmen

Beim Wärmemanagement von Stromversorgungseinheiten hängt vieles davon ab, ob das Netzteil einen geschlossenen oder offenen Rahmen hat. Wenn ein geschlossenes Netzteil verwendet wird, hat die Art des Gehäuses einen Einfluss auf den Luftstrom und die Wärmeabgabe. Lüfter sind zwar hilfreich, aber die Entwickler müssen die Zuverlässigkeit der Lüfter sowie den von den Systemlüftern verursachten Gegendruck berücksichtigen, der die Effektivität der Netzteillüfter erheblich verringern kann, wodurch die Betriebstemperaturen des Netzteils möglicherweise steigen.

Netzteile haben bei niedriger Eingangsspannung oft einen geringeren Wirkungsgrad. Daher können Geräte, die über einen längeren Zeitraum unter niedrigen Netzbedingungen betrieben werden, zu einer höheren Wärmeabgabe führen und zusätzliche Kühlung erfordern. Und schließlich muss die Leistung der Netzteile oft herabgesetzt werden, wenn sie bei erhöhten Temperaturen arbeiten, wie sie in industriellen und medizinischen Systemen auftreten können.

Um die Implementierung effektiver Wärmemanagementsysteme zu beschleunigen, können Entwickler auf Netzteile zurückgreifen, die speziell für den Einsatz in industriellen und medizinischen Anwendungen entwickelt wurden und eine Reihe von Wärmemanagementoptionen bieten.

Zu den Herausforderungen beim Wärmemanagement von Netzteilen gehören der Systemluftstrom und die Auswirkungen, die Systemlüfter auf die Leistung von in Netzteilen integrierten Lüftern haben können, die Umgebungstemperatur, der Bedarf an Spitzenleistung und die Auswirkungen, die der Eingangsspannungsbereich auf die Verlustleistung haben kann. Eine der ersten Überlegungen ist die Richtung des PSU-Luftstroms. Ein normaler Luftstrom erzeugt einen Überdruck beim Verlassen des Systems und ein umgekehrter Luftstrom erzeugt einen Überdruck beim Eintritt in das System (Bild 1).

Viele Netzteile sind mit einem Lüfter ausgestattet. Anstatt das thermische Design zu vereinfachen, kann ein Netzteil mit einem Lüfter das thermische Design verkomplizieren, da die Luftstromrichtung sowie die Impedanz und der Druck des System- oder Gehäuseluftstroms berücksichtigt werden müssen. Zu den Komplikationen gehören:

• Systemlüfter können mit den Netzteillüftern konkurrieren und deren Effektivität verringern, wodurch der Luftstrom durch das Netzteil reduziert wird.
• Der Eingang zum Netzteillüfter kann eine unerwartet hohe Impedanz aufweisen, wodurch der Luftstrom durch das Netzteil verringert wird.
• Kabel oder andere Hindernisse können den Luftstrom des Netzteils blockieren und die Effektivität der Lüfter verringern.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie System- und Netzteillüfter zusammenwirken können, Beispiele sind in Bild 2 unten dargestellt:

• Die Netzteillüfter erzeugen einen normalen Luftstrom, aber die höhere Leistung der Systemlüfter führt zu einem niedrigeren (Unter-)Druck im Gehäuse, wodurch die Wirksamkeit der Netzteillüfter verringert wird.
• Die Lüfter des Netzteils erzeugen einen umgekehrten Luftstrom, und die Systemlüfter unterstützen die Kühlung des Netzteils und bekämpfen sie nicht. Wenn jedoch die Luft, die in das Netzteil eintritt, aus dem Abluftplenum des Systems kommt, kann dies zu Problemen führen, wie z. B. zu einer Verringerung des Nettoluftstroms sowie zu Problemen bei der Rezirkulation, die einen Wärmestau im Netzteil verursachen.
• Der Lufteintritt zum Netzteil ist vom Hauptluftstrom des Gehäuses isoliert, so dass die Lüfter des Netzteils vor Störungen durch die Systemlüfter geschützt sind. Um den maximalen Nutzen zu erzielen, sollte der Luftstromkanal für das Netzteil einen geringen Widerstand aufweisen.

Die Leistungsminderung (Derating) ist bei Spitzenleistung und Nennleistung oft unterschiedlich. Der Bedarf an Spitzenleistung variiert von wenigen Millisekunden (ms) bis zu zehn Sekunden oder mehr und ist ein wichtiger Faktor in vielen industriellen und medizinischen Systemen. Ein Beispiel sind zwei 600-W-Netzteilserien, die für unterschiedliche Spitzenleistungen optimiert sind: die Serie ABC601 industrieller und medizinischer AC/DC-Netzteile von Bel Power Solutions, die für eine Spitzenleistung von zehn Sekunden ausgelegt ist, und die Serie VPS600, die für eine Spitzenleistung von 1 ms ausgelegt ist.

Die Serie ABC601 bietet eine geregelte Ausgangsleistung von bis zu 600 W über einen Eingangsspannungsbereich von 85 bis 305 VAC bei Einzelausgängen von 24, 28, 36 oder 48 VDC. Das ABC601-1T48 bietet zum Beispiel einen Ausgang für 48 VDC. Diese Netzteile sind für eine Dauerleistung von 600 Watt oder eine Spitzenleistung von bis zu 800 Watt für bis zu zehn Sekunden bei einer Temperatur von bis zu 60 °C bei den Modellen mit geschlossenem, an der Vorderseite montiertem Lüfter ausgelegt. Sie verfügen über einen 5-VDC-Standby-Ausgang mit einer Nennleistung von 1,2 Ampere (A) für U-Gehäusemodelle und 1,5 A für frontmontierte Lüftermodelle sowie einen 12-V-Lüfterausgang mit 1 A.

Die Serie ABC601 ist in zwei Ausführungen erhältlich: mit U-förmigem Gehäuse oder mit Gehäuse mit einem an der Vorderseite montierten Lüfter (Bild 3). Die Serie ABC601 verfügt über eine interne Stromverteilungsschaltung für den Parallelbetrieb zwischen mehreren Geräten, um die Gesamtleistung zu erhöhen.

Die offenen Netzteile der Serie EOS Power VPS600 von Bel Power Solutions verfügen über einen engeren Eingangsbereich von 85 bis 264 VAC und liefern eine Dauerausgangsleistung von bis zu 600 W und eine Spitzenleistung von 720 W für 1 ms. Diese Netzteile sind mit Ausgangsspannungen von 12, 15, 24, 30, 48 und 58 VDC erhältlich. Das VPS600-1048 bietet zum Beispiel einen Ausgang von 48 VDC. Diese Geräte verfügen über einen Standby-Ausgang mit 5 VDC und 500 mA, sowie einen Lüfterausgang mit 12 V und 500 mA. Während die Serie ABC601 in zwei Gehäuseformen angeboten wird, ist die Serie VPS600 in drei verschiedenen Leistungsstufen erhältlich: konvektionsgekühlte U-Kanäle für 600 W, Geräte mit geschlitzter Abdeckung für 420 W und Geräte mit einfacher Abdeckung für 360 W.

Die verschiedenen Ausgangsspannungsoptionen und Gehäuseformen haben unterschiedliche Leistungsminderungskurven. Die Leistungsreduzierung für Einheiten mit 24 VDC Ausgang beträgt zum Beispiel:

• Offener Rahmen: Konvektionslast, 600 W Dauerleistung bei bis zu 30 °C
• Geschlitzte Abdeckung: Konvektionslast, 420 W Dauerleistung bei bis zu 30 °C
• Einfache Abdeckung: Konvektionslast, 360 W Dauerleistung bei bis zu 30 °C
• Für alle Abdeckungsarten: Zwischen 30 °C und 50 °C um 0,833 Prozent pro °C absenken; Bei über 50 °C um 2,5 Prozent pro °C absenken, Maximum: 70°C

Die Wirkung der Eingangsspannung

Der Wirkungsgrad des Netzteils kann sich bei niedrigeren Eingangsspannungen verringern, was zu einer Verringerung der Nennausgangsleistung führt. Die AC/DC-Netzteile der Serien ABE1200/MBE1200 beispielsweise liefern 1200 W bei einem Eingang von 180 bis 305 VAC und 1000 W bei einem Eingangsbereich von 85 bis 180 VAC (Bild 4). Diese Nennwerte gelten für Temperaturen von 0 bis 60 °C. Bis 70°C nimmt die Leistung linear von 1200 auf 1100 W bzw. von 1000 auf 900 W ab.

Diese Netzteile verfügen über eine Lüfterdrehzahlregelung, um die Geräuschentwicklung zu minimieren, wenn kein maximaler Luftstrom benötigt wird. Sie sind in drei 1HE-kompatiblen Gehäusen erhältlich, darunter ein geschlossenes Modell mit zwei Lüftern (nur Modelle für 24 VDC) und ein U-förmiges Gehäuse mit zwei Schutzabdeckungsoptionen.

Praktische Schritte zu besseren thermischen Designs

Wie gezeigt, ist die Integration eines Netzteils in ein System mit komplexen Fragen der Wärmeentwicklung verbunden. Es gibt einige praktische Schritte, die Entwickler befolgen können, um unangenehme Überraschungen zu vermeiden:

• Der Hersteller des Netzteils kann detaillierte Informationen über die Beziehung zwischen dem Luftstrom des Lüfters und dem statischen Druck (die P-Q-Kurve) liefern, so dass die Entwickler wissen, welcher Luftstrom zu erwarten ist, wenn der Lüfter des Netzteils mit oder gegen den internen Gegendruck im System arbeitet.
• Einige Netzteilhersteller bieten FlowTHERM-Wärmemodelle des Netzteils an, die im Gesamtsystemmodell verwendet werden können, um die thermische Leistung des Netzteils zu bewerten und potenzielle Probleme zu erkennen.
• Entwickler können den Hersteller des Netzteils ein thermisches Systemdesign überprüfen und Empfehlungen für weitere Analysen aussprechen oder die Gültigkeit des Designs bestätigen lassen.

Fazit

Bei der Entwicklung eines Wärmemanagementsystems für Netzteile medizinischer oder industrieller Anwendungen sind mehrere Aspekte zu berücksichtigen. Dazu gehören der Systemluftstrom, die Auswirkungen, die Systemlüfter auf die Leistung der im Netzteil integrierten Lüfter haben können, der angegebene Betriebstemperaturbereich, die Notwendigkeit, Spitzenleistungen zu unterstützen, und die Auswirkungen, die der Eingangsspannungsbereich auf die Verlustleistung haben kann.

Um diese Probleme zu lösen, können Entwickler auf Netzteile von Bel Industrial Power zurückgreifen, die für verschiedene thermische Umgebungen und Anwendungsszenarien optimiert sind. Außerdem bieten die Hersteller von Netzteilen Tools für das Wärmemanagement an, die den Entwurfsprozess beschleunigen können. (na)