Effektives Wärmemanagement für Netzteile in industriellen und medizinischen Systemen

Ein effizientes und kostengünstiges Wärmemanagement für Stromversorgungseinheiten (PSUs) ist bei der Entwicklung von industriellen und medizinischen Systemen wichtig, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Die Entwicklung eines effektiven Wärmemanagementsystems für ein Netzteil ist ein komplexes Unterfangen, und vieles hängt 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 betrieben werden, 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.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Herausforderungen des Wärmemanagements bei der Entwicklung von industriellen und medizinischen Systemen und bietet Anleitungen für die Entwicklung effektiver Wärmemanagementlösungen. Anschließend werden Optionen für die Integration von Netzteilen in industrielle und medizinische Geräte vorgestellt, wobei Netzteile von Bel Power Solutions als Beispiele aus der Praxis dienen.

Herausforderungen beim Wärmemanagement von Stromversorgungen

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. Dies sind Überlegungen erster Ordnung; dieser Artikel befasst sich nicht mit Überlegungen zweiter Ordnung zum Wärmemanagement im Zusammenhang mit Rackmontage-Systemen oder speziellen Umgebungen wie Rechenzentren.

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 (Abbildung 1).

Abbildung 1: Bei normaler Luftströmung tritt aus dem System ein Überdruck aus (links). Bei umgekehrtem Luftstrom gelangt Überdruck in das System (rechts). (Bild: Bel Power Solutions)

Ein Lüfter ist nicht genug

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 Abbildung 2 unten dargestellt:

1. 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.
2. 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.
3. 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.

Abbildung 2: Bei der thermischen Auslegung müssen die Richtung des Luftstroms im Netzteil und die relative Stärke der Netzteil- und Systemlüfter berücksichtigt werden. (Bildquelle: Bel Power Solutions)

Spitzenleistung vs. Nennleistung und Leistungsminderung

Die Leistungsminderung (Derating) ist bei Spitzenleistung und Nennleistung oft unterschiedlich. Der Bedarf an Spitzenleistung variiert von wenigen Millisekunden (ms) bis zu 10 Sekunden oder mehr und ist ein wichtiger Faktor in vielen industriellen und medizinischen Systemen. Betrachten Sie zwei 600-Watt-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 10 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 Watt über einen Eingangsspannungsbereich von 85 bis 305 Volt Wechselstrom (V_AC) bei Einzelausgängen von 24, 28, 36 oder 48 Volt Gleichstrom (V_DC). Das ABC601-1T48 bietet zum Beispiel einen Ausgang für 48 V_DC. Diese Netzteile sind für eine Dauerleistung von 600 Watt oder eine Spitzenleistung von bis zu 800 Watt für bis zu 10 Sekunden bei einer Temperatur von bis zu 60 °C bei den Modellen mit geschlossenem, an der Vorderseite montiertem Lüfter ausgelegt (Abbildung 3). Sie verfügen über einen 5-V_DC-Standby-Ausgang mit einer Nennleistung von 1,2 Ampere (A) für U-Gehäusemodelle und 1,5 A für frontmontierte Lüftermodelle sowie einen 12-Volt-Lüfterausgang mit 1 A.

Abbildung 3: Die geschlossenen Modelle der Serie ABC601 mit an der Vorderseite montiertem Lüfter liefern 600 Watt Dauerleistung (rote Linie im oberen Diagramm) oder bis zu 800 Watt für bis zu 10 Sekunden (rote Linie im unteren Diagramm) bei bis zu 60 °C. (Bildquelle: Bel Power Solutions)

Die Serie ABC601 ist in zwei Ausführungen erhältlich: mit U-förmigem Gehäuse oder mit Gehäuse mit einem an der Vorderseite montierten Lüfter (Abbildung 4). Die Serie ABC601 verfügt über eine interne Stromverteilungsschaltung für den Parallelbetrieb zwischen mehreren Geräten, um die Gesamtleistung zu erhöhen.

Abbildung 4: Die Netzteile ABC601 sind mit Lüfterkühlung (oben) oder Konvektionskühlung (unten) erhältlich. (Bildquelle: Bel Power Solutions)

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

Abbildung 5: Die Serie VSP600 ist in drei Gehäusekonfigurationen mit unterschiedlichen Nennleistungen erhältlich: konvektionsgekühlte U-Kanal-Einheiten für 600 Watt, Einheiten mit geschlitzter Abdeckung für 420 Watt und Einheiten mit einfacher Abdeckung für 360 Watt. (Bildquelle: Bel Power Solutions)

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

• Offener Rahmen
  • Konvektionslast, 600 Watt Dauerleistung bei bis zu 30°C
• Geschlitzte Abdeckung
  • Konvektionslast, 420 Watt Dauerleistung bei bis zu 30°C
• Einfache Abdeckung
  • Konvektionslast, 360 Watt Dauerleistung bei bis zu 30°C
• Für alle Abdeckungsarten
  • Zwischen 30°C und 50°C um 0,833% pro °C absenken
  • Bei über 50°C um 2,5% 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 Watt bei einem Eingang von 180 bis 305 V_AC und 1000 Watt bei einem Eingangsbereich von 85 bis 180 V_AC (Abbildung 6). Diese Nennwerte gelten für Temperaturen von 0 bis 60°C. Bis 70°C nimmt die Leistung linear von 1200 auf 1100 Watt bzw. von 1000 auf 900 Watt ab.

Abbildung 6: Die Netzteile ABE1200/MBE1200 liefern 1200 Watt bei Eingangsspannungen von 180 bis 305 V_AC und 1000 Watt bei Eingangsspannungen von 85 bis 180 V_AC. (Bildquelle: Bel Power Solutions)

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 V_DC) und ein U-förmiges Gehäuse mit zwei Schutzabdeckungsoptionen (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die Netzteile ABE1200 sind mit zwei Lüftern (nur Modelle für 24 V_DC) und zwei verschiedenen Schutzabdeckungen erhältlich. (Bildquelle: Bel Power Solutions)

DIN ist anders

Die Netzteile der Serie LEN120 bieten eine Nennleistung von 120 Watt und sind für die Standard-Hutschienenmontage ausgelegt. Das LEN120-12 liefert beispielsweise einen Ausgang von 12 V_DC über Nenneingangsspannungen von 90 bis 264 V_AC (universal) oder 127 bis 370 V_DC (Abbildung 9). Bei der Leistungsminderung von Hutschienennetzteilen werden in den Datenblättern neben der Betriebstemperatur oft auch die Eingangs- und Ausgangsspannungen berücksichtigt. Für die Serie LEN120:

• Alle Modelle
  • Von -20°C bis -10°C, mit einer Nenneingangsspannung von 115 V_AC, Ausgangsleistung verringert sich um 2%/°C
  • Von -20°C bis -10°C, mit einer Nenneingangsspannung von 230 V_AC, keine Leistungsminderung erforderlich
  • Von +40°C bis +60°C, mit einer Nenneingangsspannung von 115 V_AC, Ausgangsleistung verringert sich um 2,5%/°C
  • Für Eingangsspannungen zwischen 115 und 264 V_AC und zwischen 162 und 370 V_DC ist keine Leistungsminderung erforderlich
  • Für Eingangsspannungen zwischen 115 und 90 V_AC und zwischen 162 und 127 V_DC (niedrige Netzleistung), Ausgangsleistung verringert sich um 1%/V
• Modell LEN120-12 (12 V_DC Ausgang)
  • Von +45°C bis +60°C, mit einer Nenneingangsspannung von 230 V_AC, Ausgangsleistung verringert sich um 3,33%/°C
• Modelle LEN120-24 und LEN120-48 (24 bzw. 48 V_DC Ausgang)
  • Von +50°C bis +60°C, mit einer Nenneingangsspannung von 230 V_AC, Ausgangsleistung verringert sich um 5%/°C

Abbildung 8: Die Hutschienennetzteile der Serie LEN120 bieten eine Nennleistung von 120 Watt und sind konvektionsgekühlt. (Bildquelle: Bel Power Solutions)

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.
• Lassen Sie den Hersteller des Netzteils ein thermisches Systemdesign überprüfen und Empfehlungen für weitere Analysen aussprechen oder die Gültigkeit des Designs bestätigen.

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.

Empfohlene Lektüre

1. Auswahl eines Lüfters