如何在工業和醫療系統中設計有效的電源熱管理

在設計工業和醫療系統時，讓電源供應器 (PSU) 達到高效且符合成本效益的熱管理非常重要，如此才能確保運作的可靠性。針對 PSU 設計有效的熱管理系統是相當複雜的工作，很大程度上取決於 PSU 屬於封閉式還是開放式。

如果使用封閉式 PSU，外殼的類型就會影響氣流和散熱表現。雖然風扇有所幫助，但設計人員需要考量風扇的可靠性以及系統風扇引起的背壓，這些背壓會顯著降低 PSU 風扇的效力，因此有可能會提高 PSU 的工作溫度。

PSU 在低輸入線路電壓情況下通常效率較低。因此，若電源供應器需在低輸入線路情況下運作較長的時間，則會產生較高的熱耗散，因此需要額外的散熱。最後，PSU 若處於溫升情況，就需要降額操作，這在工業與醫療系統中都是可預見的情況。

為了加快實作有效的熱管理系統，設計人員可以轉用專為工業和醫療應用而設計的 PSU，以享用其提供的多種熱管理選項。

本文將探討設計工業和醫療系統時的熱管理難題，並且提供指引，以便設計有效的熱管理解決方案。接著會使用 Bel Power Solutions 的 PSU 當作實際範例，介紹在將 PSU 整合到工業和醫療設備時的選項，最後會提供一些實用的步驟，設計人員可依此將 PSU 整合到整個系統的熱設計。

電源供應器的熱管理難題

PSU 的熱管理難題包括系統氣流與系統風扇對整合在 PSU 上的任何風扇之效能有何影響、環境工作溫度、對峰值功率傳輸的需求，以及輸入電壓範圍對功率耗散的影響。這些都屬於初階考量；本文將不探討與機架安裝系統或資料中心等特殊環境相關的二階熱管理考量事項。

首先要考量的因素之一就是 PSU 氣流的方向；正常的氣流會產生遠離系統的正壓，反向氣流則會產生進入系統的正壓 (圖 1)。

圖 1：在正常氣流中，正壓會離開系統 (左)。反向氣流時，正壓會進入系統 (右)。(圖片： Bel Power Solutions)

僅有風扇是不夠的

許多 PSU 都含有散熱風扇。帶有風扇的 PSU 不僅無法簡化散熱設計，反而還要考慮氣流方向，以及系統或機箱氣流的阻力和壓力，讓散熱設計更加複雜。複雜事項包括：

• 系統風扇會與 PSU 風扇互相牴觸進而降低效用，導致穿越 PSU 的氣流減少。
• PSU 風扇的進風口可能會有出乎意料的高阻力，因此會降低通過 PSU 的氣流。
• 纜線或其他障礙物會阻塞 PSU 氣流，降低風扇的效力。

系統和 PSU 風扇有多種互動方式，如以下圖 2 所示：

1. PSU 風扇會產生正常的氣流，但系統風扇的效能越高，機箱內部的壓力越低 (負壓)，因此會降低 PSU 風扇的效力。
2. PSU 風扇會產生逆向氣流，但系統風扇理應協助 PSU 散熱，而不是與之牴觸。但是，如果進入 PSU 的空氣來自系統排氣室，則可能會產生問題，包括凈氣流減少，以及會導致 PSU 積熱的再循環問題。
3. 進入 PSU 的空氣與主機箱的氣流隔離，因此可保護 PSU 風扇，以免受到系統風扇的干擾。為了達到最大效益，PSU 的氣流通道應具有低阻力。

圖 2：散熱設計必須考慮 PSU 中的氣流方向，以及 PSU 和系統風扇的相對強度。(圖片來源：Bel Power Solutions)

峰值與標稱功率額定值和降額

峰值功率與標稱功率的降額通常有所不同。峰值功率的需求差異很大，從數毫秒 (ms) 到 10 秒或更長的時間，這在許多工業和醫療系統中是重要的考量因素。以兩個針對不同峰值功率傳輸進行最佳化的 600 W PSU 系列為例；Bel Power Solutions 的 ABC601 系列工業和醫療 AC-DC 電源供應器，額定的峰值功率傳輸時間為 10 秒，VPS600 系列的額定峰值功率時間為 1 ms。

ABC601 系列在 85 至 305 V_AC 輸入電壓範圍內，能以 24、28、36 或 48 V_DC 的單路輸出，提供高達 600 W 的穩壓輸出功率。例如，ABC601-1T48 具有 48 V_DC 輸出。這些 PSU 若屬於封閉式前置風扇款式，其額定連續功率為 600 W，或在高達 60°C 的溫度下，峰值功率高達 800 W，最長可達 10 秒 (圖 3)。若是 U 機箱款式，則在 1.2 A 下具有 5 V_DC 待機功率輸出，若是前置風扇款式則為 1.5 A，並具有 12 V、1 A 的風扇輸出。

圖 3：ABC601 系列的封閉式前置風扇款式可在高達 60°C 的溫度下提供 600 W 連續功率 (上圖中的紅線)，或高達 800 W 且最長達 10 秒 (底部圖的紅線)。(圖片來源：Bel Power Solutions)

ABC601 系列提供兩種封裝：U 型框架機箱或封閉式搭配前置風扇 (圖 4)。ABC601系列具有內部均流電路，可讓單元之間並聯運行，以提高總功率。

圖 4：ABC601 PSU 提供風扇散熱 (頂端) 或對流散熱 (底部)。(圖片來源：Bel Power Solutions)

Bel Power Solutions 的 EOS Power VPS600 系列開放式 PSU 具有 85 至 264 V_AC 的較窄輸入範圍，可提供高達 600 W 的連續輸出功率，以及 720 W 的峰值功率，持續 1 ms (圖 5)。這些 PSU 可提供的輸出電壓包括 12、15、24、30、48 和 58 V_DC。例如，VPS600-1048 的輸出為 48 V_DC。這些單元具有 5 V_DC、500 mA 待機電源輸出，以及 12 V、500 mA 風扇輸出。ABC601 系列提供兩種封裝樣式，VPS600 系列則提供三種樣式且具有不同的額定功率：對流散熱 U 通道，額定功率為 600 W；開槽蓋板單元額定值為 420 W；一般蓋板單元額定功率為 360 W。

圖 5：VSP600 系列提供三種封裝配置及不同的額定功率：600 W 對流散熱 U 通道單元、420 W 開槽蓋板單元和 360 W 一般蓋板單元。(圖片來源：Bel Power Solutions)

各種輸出電壓選項和封裝樣式下，也會有不同的降額曲線。例如，24 V_DC 輸出單元的降額為：

• 開放式
  • 對流負載、600 W 連續功率、最高達 30°C
• 開槽蓋板
  • 對流負載、420 W 連續功率、最高達 30°C
• 一般蓋板
  • 對流負載、360 W 連續功率、最高達 30°C
• 適用於所有蓋板樣式
  • 在 30 至 50°C 之間，每 °C 降額 0.833%
  • 在超過 50°C 時，每 °C 降額2.5%，最高至 70°C

輸入電壓的影響

在較低的輸入電壓下，PSU 效率可能會降低，進而導致標稱輸出功率降額。舉例來說，ABE1200/MBE1200 系列 AC-DC 電源供應器可在 180 至 305 V_AC 的輸入下提供 1200 W 功率，在 85 至 180 V_AC 的輸入範圍內提供 1000 W (圖 6)。這些標稱額定值介於 0 至 60°C 之間。在 70°C 時，可分別從 1200 W 線性降額到 1100 W，從 1000 W 降額到 900 W。

圖 6：ABE1200/MBE1200 PSU 可在 180 至 305 V_AC 輸入電壓範圍內提供 1200 W 功率，在 85 至 180 V_AC 間提供 1000 W。(圖片來源：Bel Power Solutions)

這些 PSU 具有風扇速度控制功能，可在不需要最大氣流時將噪音降至最低。提供三種 1U 高度相容封裝，包括一個雙風扇封閉款式 (僅限 24 V_DC 型號)，以及一個 U 型機箱配兩種護蓋選項 (圖 7)。

圖 7：ABE1200 PSU 提供雙風扇 (僅限 24 V_DC 型號) 和兩種護蓋可供選擇。(圖片來源：Bel Power Solutions)

DIN 也會不同

LEN120 系列 PSU 的標稱功率為 120 W，專為標準 DIN 軌道安裝而設計。例如，LEN120-12 在 90 至 264 V_AC (通用) 或 127 至 370 V_DC 的標稱輸入電壓範圍內提供 12 V_DC 輸出 (圖 9)。當 DIN 軌道 PSU 降額時，規格書通常會同時考量輸入和輸出電壓以及工作溫度。LEN120 系列：

• 所有型號
  • 在 -20°C 至 -10°C 之間，標稱 115 V_AC 輸入下，輸出功率會降額 2%/°C
  • 在 -20°C 至 -10°C 之間，標稱 230 V_AC 輸入下，無需降額
  • 在 +40°C 至 +60°C 之間，標稱 115 V_AC 輸入下，輸出功率會降額 2.5%/°C
  • 若輸入電壓在 115 至 264 V_AC 之間以及 162 至 370 V_DC 之間，則無需降額
  • 若輸入電壓介於 115 至 90 V_AC 之間，以及 162 至 127 V_DC 之間 (低線路條件)，輸出功率會降額 1%/V
• LEN120-12 型號 (12 V_DC 輸出)
  • 在 +45°C 至 +60°C 之間，標稱 230 V_AC 輸入下，輸出功率會降額 3.33%/°C
• LEN120-24 和 LEN120-48 型號 (分別為 24 和 48 V_DC 輸出)
  • 在 +50°C 至 +60°C 之間，標稱 230 V_AC 輸入下，輸出功率會降額 5%/°C

圖 8：LEN120 系列 DIN 軌道 PSU 的額定功率為 120 W，並且採用對流散熱。(圖片來源：Bel Power Solutions)

改善散熱設計的實用步驟

如本文所述，將 PSU 整合到系統中涉及複雜的熱設計問題。設計人員可以遵循幾個實際步驟，有助於避開令人不悅的意外：

• PSU 製造商可以提供有關風扇氣流與靜壓之間關係的詳細資訊 (P-Q 曲線)，設計人員就能預期，當 PSU 風扇在系統中無論是搭配內部背壓一起運作或與之衝突時會出現什麼氣流。
• 有些 PSU 製造商可以提供 PSU 的 FlowTHERM 熱模型，可用在整體系統模型中，以便評估 PSU 熱效能，並且找出潛在的疑慮。
• 請 PSU 製造商審查系統的散熱設計並提供建議，有助於進一步分析，或確認設計的有效性。

結論

設計醫療或工業應用的 PSU 熱管理系統時，有幾個問題要加以考量。包括系統氣流、系統風扇對整合在 PSU 上的任何風扇之效能有何影響、指定的工作溫度範圍、支援峰值功率傳輸的需求，以及輸入電壓範圍對功率耗散的影響。

為了幫助解決這些問題，設計人員可以轉用 Bel Industrial Power 的 PSU 設計；其已針對不同的熱環境和應用場景進行最佳化。此外，PSU 製造商也有提供熱管理工具，有助於加快設計過程。

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