如何为工业和医疗系统设计有效的电源热管理

作者：Jeff Shepard

在设计工业和医疗系统时，高效、合算的电源单元 (PSU) 热管理对确保可靠性非常重要。设计一个有效的 PSU 热管理系统很复杂，这在很大程度上取决于 PSU 封装是封闭式还是开放式的。

如果使用的是封闭式 PSU，外壳类型会对气流和散热就会产生影响。虽然风扇有帮助，但设计者需要考虑风扇的可靠性，以及系统风扇造成的背压，这可能会大大降低 PSU 风扇的效率，同时可能会增加 PSU 的工作温度。

在输入线路电压较低的情况下，PSU 的效率通常较低。因此，在输入线路电压较低的条件下长时间运行时，会导致设备热耗散更高，需要额外的冷却。最后，在工业和医疗系统中如果出现可能的高温时，PSU 通常需要降额运行。

为了加快有效热管理系统的实现，设计者可以采用专门为工业和医疗应用设计的 PSU，它们提供了一系列热管理选择。

本文回顾了设计工业和医疗系统时的热管理挑战，并为设计有效的热管理解决方案提供了指导。然后，本文以 Bel Power Solutions 的 PSU 为例，介绍了将 PSU 集成到工业和医疗设备中有哪些选择，最后介绍了设计者在将 PSU 集成到整个系统热设计中时可以采取的一些实用步骤。

电源热管理的挑战

PSU 热管理的挑战包括：系统气流和系统风扇对集成到 PSU 中的任何风扇性能的影响、环境工作温度、对峰值功率传输的需求以及输入电压范围对功率耗散的影响。这些都是一级考虑因素，本文不涉及与机架安装系统或数据中心等特殊环境有关的二级热管理考虑。

首要考虑问题之一是 PSU 的气流方向；正常的气流产生正压排出系统，反向的气流产生正压进入系统（图 1）。

图 1：在正常气流中，正压流出系统（左）。在反向气流中，正压进入系统（右）。（图片: Bel Power Solutions）

一个风扇是不够的

许多 PSU 会包括一个冷却风扇。PSU 使用风扇非但不能简化散热设计，反而会使散热设计复杂化，需要考虑气流方向以及系统或机箱的气流阻抗和压力。负面影响包括：

· 系统风扇可能会与 PSU 风扇产生竞争，并降低其有效性，减少了通过 PSU 的气流。
· 通往 PSU 风扇的入口可能有一个意想不到的高阻抗，会减少通过 PSU 的气流。
· 电缆或其他障碍物会阻碍 PSU 的气流，降低风扇的效率。

系统风扇与 PSU 风扇有几种相互影响方式，具体实例见下图 2。

1、PSU 风扇产生正常的气流，但系统风扇的高性能导致机箱内的压力降低（负压），从而降低 PSU 风扇的效率。
2、PSU 风扇产生反向的气流，系统风扇会帮助 PSU 散热，而不是增加热量。然而，如果进入 PSU 的空气来自于系统的排气管道，那就会产生一些问题，包括净气流的减少，以及导致 PSU 中热量积累的再循环问题。
3、PSU 的空气入口与主机箱气流隔离，保护 PSU 风扇免受系统风扇的干扰。为了实现最大的效益，PSU 的气流通道应该是低阻力的。

图 2：散热设计必须考虑到 PSU 的气流方向以及 PSU 和系统风扇的相对强度。（图片来源：Bel Power Solutions）

峰值功率与额定功率的降额

降额对于峰值功率和额定功率通常是不同的。峰值功率需求变化很大，从几毫秒 (ms) 到 10 秒或更长时间，是许多工业和医疗系统中的一个重要考虑因素。我们来看一下 Bel Power Solutions 的两个针对不同峰值功率输送进行优化的 600 瓦 PSU 系列：峰值功率持续时间为 10 秒的 ABC601 系列工业和医疗 AC-DC 电源和峰值功率持续时间为 1 ms 的 VPS600 系列。

ABC601 系列在 85 至 305 伏交流电 (VAC) 的输入电压范围内提供最高 600 瓦的稳压输出功率，单输出电压为 24、28、36 或 48 伏直流电 (VDC)。例如，ABC601-1T48 有一个 48 VDC 的输出。这些 PSU 具有 600 瓦连续额定功率或最高 800 瓦的峰值功率（在最高 60℃ 的温度下持续 10 秒），适用于封闭式前端安装风扇型号（图 3）。它们有一个 5 VDC 待机电源输出，U 型机箱型号的额定电流为 1.2 安培 (A)，前端安装的风扇型号为 1.5 A，此还还有一个 12 伏、1 安培的风扇输出。

图 3：ABC601 系列封闭式前端安装风扇型号可提供 600 瓦的连续功率（上图红线）或在最高 60°C 温度下提供最高 800 瓦 10 秒钟峰值功率（下图红线）。（图片来源：Bel Power Solutions）

ABC601 系列采用两种封装，U 型框架外壳或带有前端安装风扇的封闭式外壳（图 4）。ABC601系列有一个内部分流电路，用于单元之间的并联操作，以提高总功率。

图 4：ABC601 PSU 提供风扇冷却（上）或对流冷却（下）两种选择。（图片来源：Bel Power Solutions）

Bel Power Solutions 的 EOS Power VPS600 系列开放式 PSU 的输入范围更窄，为 85 至 264 VAC，可提供最高 600 瓦的连续输出功率和 720 瓦 1 毫秒的峰值功率（图 5）。这些 PSU 的输出电压为 12、15、24、30、48 和 58 VDC。例如，VPS600-1048 的输出电压为 48 VDC。这些装置包括一个 5 VDC、500 毫安 (mA) 的待机电源输出和一个 12 伏、500 mA 的风扇电源输出。ABC601 系列有两种封装方式，而 VPS600 系列则有三种不同的额定功率：额定功率为 600 瓦的对流冷却 U 型槽式、额定功率为 420 瓦的开槽盖板单元，以及额定功率为 360 瓦的普通盖板单元。

图 5：VSP600 系列有三种封装配置，具有不同的额定功率；600 瓦的对流冷却 U 型槽单元、420 瓦的开槽盖板单元和 360 瓦的普通盖板单元。（图片来源：Bel Power Solutions）

各种输出电压选项和封装样式具有不同的降额曲线。例如，24 VDC 输出单元的降额数据如下：

· 开放式
对流负载，600 瓦的连续功率，最高 30℃

· 开槽盖板
对流负载，420 瓦的连续功率，最高 30℃

· 普通盖板
对流负载，360 瓦的连续功率，最高 30℃

· 适用所有盖板样式
在 30 和 50 °C 之间降额为每 ℃ 降 0.833%
在 50°C 以上，每 °C 降 2.5%，最高为 70℃

输入电压影响

在较低的输入电压下，PSU 的效率可能会降低，从而导致额定输出功率的降低。例如，ABE1200/MBE1200 系列 AC-DC 电源提供 1200 瓦和 1000 瓦功率，输入电压范围分别为 180 至 305 VAC 和 85 至 180 VAC（图 6）。其额定温度范围为 0 至 60℃。在 70℃ 时，它们分别从 1200 瓦线性降至 1100 瓦和从 1000 瓦降至 900 瓦。

图 6：ABE1200/MBE1200 PSU 在输入电压为 180 至 305 VAC 时提供 1200 瓦功率，在输入电压为 85 至 180 VAC 时提供 1000 瓦功率。（图片来源：Bel Power Solutions）

这些 PSU 包括一个风扇速度控制，以便在不需要最大气流时将可闻噪声降到最低。它们提供三种 1U 高度的兼容封装，包括带有两个风扇的封闭式型号（仅 24 VDC 型号），以及带有两个保护罩选件的 U 形外壳（图 7）。

图 7：ABE1200 PSU 提供双风扇（仅 24 VDC 型号）和两种保护罩选择。（图片来源：Bel Power Solutions）

DIN 是不同的

LEN120 系列 PSU 的额定功率为 120 瓦，设计用于标准 DIN 导轨安装。例如，LEN120-12 在 90 至 264 VAC（通用）或 127 至 370 VAC（图 9）的额定输入电压范围内提供 12 VDC 输出。在对 DIN 导轨 PSU 进行降额时，规格书通常会同步考虑输入和输出电压，以及工作温度。对于 LEN120 系列：

· 所有型号
从 -20°C 到 -10°C，标称 115 VAC 输入，输出功率降 2%/℃
从 -20°C 到 -10°C，标称 230 VAC 输入，不需要降额。
从 +40°C 到 +60°C，标称 115 VAC 输入，输出功率降 2.5%/℃
当输入电压在 115 至 264 VAC 之间和 162 至 370 VDC 之间时，不需要降额。
当输入电压在 115 和 90 VAC 之间以及 162 和 127 VDC 之间时（低线路电压条件下），输出功率降 1%/V

· 型号 LEN120-12（12 VDC 输出）
从 +45°C 到 +60°C，额定 230 VAC 输入，输出功率降 3.33%/℃

· 型号 LEN120-24 和 LEN120-48（分别为 24 和 48 VDC 输出）
从 +50°C 到 +60°C，标称 230 VAC 输入，输出功率降 5%/℃

图 8：LEN120 系列 DIN 导轨 PSU 的额定功率为 120 瓦，采用对流冷却。（图片来源：Bel Power Solutions）

实现更好热设计的实用步骤

如上所述，将 PSU 集成到系统中涉及复杂的热设计问题。有几个实用的步骤可供设计者参考，以免出现不愉快的意外：

· PSU 制造商会提供关于风扇气流和静压之间关系的详细信息（P-Q 曲线），这样设计者就能知道，当 PSU 风扇在系统内部背压下运行时应该有什么样的气流。
· 有些 PSU 制造商可以提供 PSU 的 FlowTHERM 热力模型，可用于整个系统模型，以评估 PSU 的热力性能并确定潜在的问题。
· 从而让 PSU 制造商评审系统热设计并提出进一步分析建议，或确认设计的有效性。

结语

在为医疗或工业应用设计 PSU 热管理系统时，有几个问题需要考虑。具体包括系统气流、系统风扇对集成在 PSU 中的任何风扇性能的影响、指定的工作温度范围、支持峰值功率传输的需要以及输入电压范围对功率耗散的影响。

为了帮助解决这些问题，设计者可以采用 Bel Industrial Power 的 PSU 设计，因为这些设计针对不同的热环境和应用场景进行了优化。此外，PSU 制造商提供的热管理工具也能有助于加快设计进程。