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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 在設計工業和醫療系統時，高效、合算的電源單元 (PSU) 熱管理對確保可靠性非常重要。設計一個有效的 PSU 熱管理系統很復雜，這在很大程度上取決于 PSU 封裝是封閉式還是開放式的。 如果使用的是封閉式 PSU，外殼類型會對氣流和散熱就會產生影響。雖然風扇有幫助，但設計者需要考慮風扇的可靠性，以及系統風扇造成的背壓，這可能會大大降低 PSU 風扇的效率，同時可能會增加 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時間運行時，會導致設備熱耗散更高，需要額外的冷卻。最后，在工業和醫療系統中如果出現可能的高溫時，PSU 通常需要降額運行。 為了加快有效熱管理系統的實現，設計者可以采用專門為工業和醫療應用設計的 PSU，它們提供了一系列熱管理選擇。 本文回顧了設計工業和醫療系統時的熱管理挑戰，并為設計有效的熱管理解決方案提供了指導。然后，本文以 Bel Power Solutions 的 PSU 為例，介紹了將 PSU 集成到工業和醫療設備中有哪些選擇，最后介紹了設計者在將 PSU 集成到整個系統熱設計中時可以采取的一些實用步驟。 電源熱管理的挑戰 PSU 熱管理的挑戰包括：系統氣流和系統風扇對集成到 PSU 中的任何風扇性能的影響、環境工作溫度、對峰值功率傳輸的需求以及輸入電壓范圍對功率耗散的影響。這些都是一級考慮因素，本文不涉及與機架安裝系統或數據中心等特殊環境有關的二級熱管理考慮。 首要考慮問題之一是 PSU 的氣流方向；正常的氣流產生正壓排出系統，反向的氣流產生正壓進入系統（圖 1）。 
圖 1：在正常氣流中，正壓流出系統（左）。在反向氣流中，正壓進入系統（右）。（圖片: Bel Power Solutions） 一個風扇是不夠的 許多 PSU 會包括一個冷卻風扇。PSU 使用風扇非但不能簡化散熱設計，反而會使散熱設計復雜化，需要考慮氣流方向以及系統或機箱的氣流阻抗和壓力。負面影響包括： · 系統風扇可能會與 PSU 風扇產生競爭，并降低其有效性，減少了通過 PSU 的氣流。 · 通往 PSU 風扇的入口可能有一個意想不到的高阻抗，會減少通過 PSU 的氣流。 · 電纜或其他障礙物會阻礙 PSU 的氣流，降低風扇的效率。 系統風扇與 PSU 風扇有幾種相互影響方式，具體實例見下圖 2。 1、PSU 風扇產生正常的氣流，但系統風扇的高性能導致機箱內的壓力降低（負壓），從而降低 PSU 風扇的效率。 2、PSU 風扇產生反向的氣流，系統風扇會幫助 PSU 散熱，而不是增加熱量。然而，如果進入 PSU 的空氣來自于系統的排氣管道，那就會產生一些問題，包括凈氣流的減少，以及導致 PSU 中熱量積累的再循環問題。 3、PSU 的空氣入口與主機箱氣流隔離，保護 PSU 風扇免受系統風扇的干擾。為了實現最大的效益，PSU 的氣流通道應該是低阻力的。
圖 2：散熱設計必須考慮到 PSU 的氣流方向以及 PSU 和系統風扇的相對強度。（圖片來源：Bel Power Solutions） 峰值功率與額定功率的降額 降額對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 秒或更長時間，是許多工業和醫療系統中的一個重要考慮因素。我們來看一下 Bel Power Solutions 的兩個針對不同峰值功率輸送進行優化的 600 瓦 PSU 系列：峰值功率持續時間為 10 秒的 ABC601 系列工業和醫療 AC-DC 電源和峰值功率持續時間為 1 ms 的 VPS600 系列。 ABC601 系列在 85 至 305 伏交流電 (VAC) 的輸入電壓范圍內提供最高 600 瓦的穩壓輸出功率，單輸出電壓為 24、28、36 或 48 伏直流電 (VDC)。例如，ABC601-1T48 有一個 48 VDC 的輸出。這些 PSU 具有 600 瓦連續額定功率或最高 800 瓦的峰值功率（在最高 60℃ 的溫度下持續 10 秒），適用于封閉式前端安裝風扇型號（圖 3）。它們有一個 5 VDC 待機電源輸出，U 型機箱型號的額定電流為 1.2 安培 (A)，前端安裝的風扇型號為 1.5 A，此還還有一個 12 伏、1 安培的風扇輸出。
圖 3：ABC601 系列封閉式前端安裝風扇型號可提供 600 瓦的連續功率（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扇的封閉式外殼（圖 4）。ABC601系列有一個內部分流電路，用于單元之間的并聯操作，以提高總功率。
圖 4：ABC601 PSU 提供風扇冷卻（上）或對流冷卻（下）兩種選擇。（圖片來源：Bel Power Solutions） Bel Power Solutions 的 EOS Power VPS600 系列開放式 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 5 VDC、500 毫安 (mA) 的待機電源輸出和一個 12 伏、500 mA 的風扇電源輸出。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 瓦的對流冷卻 U 型槽式、額定功率為 420 瓦的開槽蓋板單元，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 瓦的對流冷卻 U 型槽單元、420 瓦的開槽蓋板單元和 360 瓦的普通蓋板單元。（圖片來源：Bel Power Solutions） 各種輸出電壓選項和封裝樣式具有不同的降額曲線。例如，24 VDC 輸出單元的降額數據如下： · 開放式 對流負載，600 瓦的連續功率，最高 30°C · 開槽蓋板 對流負載，420 瓦的連續功率，最高 30℃ · 普通蓋板 對流負載，360 瓦的連續功率，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 的效率可能會降低，從而導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，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 時提供 1200 瓦功率，在輸入電壓為 85 至 180 VAC 時提供 1000 瓦功率。（圖片來源：Bel Power Solutions） 這些 PSU 包括一個風扇速度控制，以便在不需要最大氣流時將可聞噪聲降到最低。它們提供三種 1U 高度的兼容封裝，包括帶有兩個風扇的封閉式型號（僅 24 VDC 型號），以及帶有兩個保護罩選件的 U 形外殼（圖 7）。
圖 7：ABE1200 PSU 提供雙風扇（僅 24 VDC 型號）和兩種保護罩選擇。（圖片來源：Bel Power Solutions） DIN 是不同的 LEN120 系列 PSU 的額定功率為 120 瓦，設計用于標準 DIN 導軌安裝。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提供 12 VDC 輸出。在對 DIN 導軌 PSU 進行降額時，規格書通常會同步考慮輸入和輸出電壓，以及工作溫度。對于 LEN120 系列： · 所有型號 從 -20°C 到 -10°C，標稱 115 VAC 輸入，輸出功率降 2%/°C 從 -20°C 到 -10°C，標稱 230 VAC 輸入，不需要降額。 從 +40°C 到 +60°C，標稱 115 VAC 輸入，輸出功率降 2.5%/°C 當輸入電壓在 115 至 264 VAC 之間和 162 至 370 VDC 之間時，不需要降額。 當輸入電壓在 115 和 90 VAC 之間以及 162 和 127 VDC 之間時（低線路電壓條件下），輸出功率降 1%/V · 型號 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 LEN120-24 和 LEN120-48（分別為 24 和 48 VDC 輸出） 從 +50°C 到 +60°C，標稱 230 VAC 輸入，輸出功率降 5%/°C
圖 8：LEN120 系列 DIN 導軌 PSU 的額定功率為 120 瓦，采用對流冷卻。（圖片來源：Bel Power Solutions） 實現更好熱設計的實用步驟 如上所述，將 PSU 集成到系統中涉及復雜的熱設計問題。有幾個實用的步驟可供設計者參考，以免出現不愉快的意外： · PSU 制造商會提供關于風扇氣流和靜壓之間關系的詳細信息（P-Q 曲線），這樣設計者就能知道，當 PSU 風扇在系統內部背壓下運行時應該有什么樣的氣流。 · 有些 PSU 制造商可以提供 PSU 的 FlowTHERM 熱力模型，可用于整個系統模型，以評估 PSU 的熱力性能并確定潛在的問題。 · 從而讓 PSU 制造商評審系統熱設計并提出進一步分析建議，或確認設計的有效性。 結語 在為醫療或工業應用設計 PSU 熱管理系統時，有幾個問題需要考慮。具體包括系統氣流、系統風扇對集成在 PSU 中的任何風扇性能的影響、指定的工作溫度范圍、支持峰值功率傳輸的需要以及輸入電壓范圍對功率耗散的影響。 為了幫助解決這些問題，設計者可以采用 Bel Industrial Power 的 PSU 設計，因為這些設計針對不同的熱環境和應用場景進行了優化。此外，PSU 制造商提供的熱管理工具也能有助于加快設計進程。 |
