Управление температурным режимом оказывает существенное влияние на срок службы и надежность блоков питания и системных узлов.
Общеизвестно, что если тепло рассеивается внутри замкнутого пространства или корпуса, температура в этом пространстве повышается. По мере повышения температуры окружающего воздуха блок питания и нагрузка будут нагреваться еще сильнее, возможно, превышая свои максимальные рабочие температуры.
Важно избегать такой ситуации, поскольку перегрев является основной причиной ненадежности и/или сокращения срока службы блоков питания в электронных системах. Это связано с тем, что долговечность электролитических конденсаторов тесно связана с более низкой рабочей температурой корпуса. Именно здесь вступают в игру охлаждаемые блоки питания.
Как работают блоки питания с охлаждением:
Некоторые блоки питания предназначены для принудительного охлаждения системным вентилятором, который отводит избыточное тепло из корпуса. В таких случаях необходимый для надлежащего охлаждения воздушный поток указывается в технической документации блока питания. Важно отметить, что это воздушный поток, необходимый в месте расположения блока питания; вентилятора, расположенного даже на небольшом расстоянии, будет недостаточно.
Поскольку воздух всегда движется по пути наименьшего сопротивления, только часть воздуха, создаваемого вентилятором, достигнет блока питания там, где это необходимо. Внутренние панели (перегородки), направляющие воздушный поток, помогают направлять воздух по необходимому пути для достижения и охлаждения целевых компонентов.
Как рассчитать воздушный поток.
Если оборудованию необходимо работать при более низкой температуре или источнику питания требуется охлаждение с помощью внешнего вентилятора, расчет воздушного потока следует производить, следуя этим шагам:
Установление максимальной температуры:
Во-первых, необходимо установить максимальную рабочую температуру, при которой блок питания или электронные компоненты могут безопасно работать. Для самого блока питания это обычно 50°C, и это, как правило, связано с сертификатами безопасности или необходимостью снижения температуры для увеличения срока службы компонентов. Общее правило гласит, что снижение температуры корпуса электролитического конденсатора на 10°C удваивает срок службы блока питания.
Далее необходимо учитывать самую высокую температуру воздуха в помещении, где размещен блок питания. Разница между этими двумя температурами будет представлять собой максимально допустимое повышение температуры. Например, предположим, что блок питания может работать при температуре окружающей среды 50°C. Если корпус блока питания предназначен для работы в некондиционируемой среде, где максимальная температура может достигать 40°C, то общее допустимое повышение температуры составит 10°C.
Определение рассеиваемой мощности:
Следующий шаг — определить количество рассеиваемой мощности. Общая мощность, рассеиваемая внутри корпуса, представляет собой сумму мощности, потребляемой нагрузкой, и мощности, теряемой блоком питания в виде тепловых потерь. Например, если потребляемая электроникой нагрузка обычно составляет 260 Вт, и предполагается, что КПД блока питания составляет 80%, то общее количество рассеиваемого тепла составит 260 Вт / 0,8, или 325 Вт. Исходя из этого, можно рассчитать необходимый объем воздушного потока.
Существует простая универсальная формула для расчета необходимого расхода воздуха для поддержания определенного повышения температуры при заданном количестве тепла, в которой используется константа 2,6.
Формула выглядит следующим образом: расход воздуха (в м³/ч) = 2,6 * общая рассеиваемая мощность (в Вт) / допустимое повышение температуры (в °C). В нашем примере требуемый расход воздуха составит 2,6 * 325 Вт / 10 °C = 84,5 м³/ч
Как регулировать воздушный поток.
К сожалению, найти решение не так просто, как рассчитать необходимый воздушный поток. Используя приведенные выше расчеты, вы сможете выбрать подходящую мощность вентилятора для обеспечения необходимого воздушного потока, но в реальности корпус будет иметь естественное сопротивление воздушному потоку, также известное как падение давления.
Падение давления:
Падение давления уменьшает свободный поток воздуха вентилятора, то есть объем воздуха, выпускаемого через устройство за определенный период времени. Падение давления также варьируется в зависимости от области применения, размера и расположения печатной платы, размера впускных и выпускных решеток, а также площади поперечного сечения, через которое проходит воздух.
Ситуация несколько усложняется тем, что падение давления также зависит от скорости воздуха, проходящего через корпус. Кроме того, на падение давления, в свою очередь, влияет скорость воздуха. Более высокая скорость воздуха приведет к большему падению давления, но это падение уменьшит скорость воздуха. Без тщательного выбора вентилятора он может оказаться неэффективным. Например, в случае, когда результирующее падение давления и скорость воздуха достигают точки равновесия ниже уровня, необходимого для отвода тепла из корпуса.
Определение фактического падения давления для каждого конкретного применения было бы слишком сложным, поскольку требует детального понимания уравнений гидродинамики. Однако мы можем аппроксимировать его, используя характеристическую кривую устройства, показанную ниже на рисунке 1. Это даст нам отправную точку, которую можно использовать для более детальной оценки.
Рисунок 1 - Характеристическая кривая устройства
С учетом ранее рассчитанного расхода воздуха, кривая показывает перепад давления в 11 Па. Следовательно, нам нужен вентилятор, способный обеспечить расход воздуха 84,5 м³/ч при перепаде давления 11 Па.
Каждый производитель вентиляторов публикует диаграмму для каждого вентилятора, показывающую расход воздуха при различных перепадах давления. На рисунке 2 ниже показаны кривые для пяти вентиляторов. Светлый конус указывает оптимальный рабочий диапазон для каждого вентилятора. В нашем примере для обеспечения требуемого расхода воздуха в 84,5 м³/ч при перепаде давления 11 Па потребуется вентилятор номер пять.
Рисунок 2 - Расход воздуха вентилятором при различном давлении воздуха
Как управлять сроком службы источника питания:
Перед применением производителями правил снижения проектной мощности для обеспечения достаточного срока службы изделия разработчик источника питания учитывает все эти факторы. Эти правила не принимают во внимание профиль задачи, окружающую среду, ориентацию при монтаже, расположение, окружающее пространство, приложенную нагрузку и системы охлаждения/вентиляции, установленные в конечном оборудовании. Срок службы конденсаторов, особенно в условиях конвекционного или естественного охлаждения, следует переоценивать с учетом условий установки.
Как пользователи могут продлить срок службы блоков питания?
Температура корпуса:
Очевидно, что измерение пульсаций тока (переменной составляющей токового сигнала) нецелесообразно. Однако, поскольку эффективная рабочая температура компонента определяется как общей конструкцией оборудования, так и конструкцией источника питания, хорошее представление о сроке службы каждого конденсатора можно получить, измерив температуру его корпуса и применив уравнение Аррениуса и профиль нагрузки к базовому сроку службы, указанному производителем компонента.
Срок службы:
Во многих технических описаниях блоков питания, например, для серии XP GCS, указаны ключевые компоненты, определяющие срок службы изделия. Это особенно важно для устройств, требующих внешнего охлаждения от конечного устройства, и для устройств, предназначенных для конвекционного охлаждения.
Учет этих факторов помогает системному разработчику определить срок службы блока питания в конкретном применении. На приведенной ниже механической схеме показаны компоненты, а кривые указывают ожидаемый срок службы блока питания в зависимости от температуры двух конденсаторов (C6 и C23).
После того, как установлены необходимые параметры перепада давления и расхода воздуха, следует учесть еще несколько моментов. Как упоминалось ранее, для общего охлаждения оборудования вентилятор можно разместить в любом месте, если воздух проходит через компоненты, выделяющие тепло.
Принудительное охлаждение:
В случае блока питания, предназначенного для принудительного охлаждения, количество воздуха, проходящего над ним, имеет решающее значение для его правильной и надежной работы. Если вентилятор нельзя разместить непосредственно рядом с блоком питания или если невозможно направить на него весь воздушный поток, выбранный вентилятор должен иметь гораздо более высокую номинальную производительность.
Некоторые вентиляторы указываются со скоростью воздушного потока в линейных футах в минуту (LFM), в то время как другие имеют объемную производительность в кубических футах в минуту (CFM) или кубических метрах в час (м³/ч). Для перевода между этими единицами необходимо знать площадь поперечного сечения вентиляционной системы вентилятора; это единственный надежный способ сделать это. Для блока питания с принудительным охлаждением требуемый воздушный поток может быть указан либо в виде номинальной скорости, например, LFM, либо в виде объемной производительности, например, CFM.
Пылевые фильтры:
В оборудовании с вентиляторами обычно устанавливаются фильтры для предотвращения попадания нежелательной пыли. Эти фильтры увеличивают сопротивление воздушному потоку, что приводит к потере давления, поэтому их наличие необходимо учитывать. Что еще важнее, по мере засорения фильтра грязью потеря давления может значительно возрасти, и вентилятор, который изначально работает удовлетворительно, может стать неэффективным после длительной эксплуатации. По этой причине пылевые фильтры следует регулярно чистить или заменять.
Как минимизировать шум:
Добавление вентилятора к оборудованию делает его слышимым. В некоторых областях применения, например, в больницах или студиях звукозаписи, шум недопустим. Даже при использовании в шумных условиях минимизация подобных помех обычно желательна. Этого можно достичь различными способами.
Подшипники вентилятора:
Один из способов минимизировать шум — использовать вентилятор с более качественным подшипником. Вентиляторы с шариковыми подшипниками, в которых используется кольцо из шариков вокруг вала для решения проблем неравномерного износа и вибрации ротора, как правило, тише, чем вентиляторы с подшипниками скольжения (заключенными в их гильзообразную конструкцию), и имеют преимущество в более длительном сроке службы. Конечно, существуют вентиляторы, в которых внутри подшипников скольжения используется масло, что может компенсировать этот недостаток.
Скорость вращения лопастей
: При заданном объеме воздуха вентилятор большего размера обычно работает тише, чем вентилятор меньшего размера, поскольку для него требуется меньшая скорость вращения лопастей. Также необходимо учитывать шум, создаваемый лопастями вентилятора, проходящими вблизи неподвижной части вентилятора, такой как стойка или защитная решетка. Если защитную решетку можно хотя бы немного отодвинуть от лопастей вентилятора, шум можно уменьшить.
Другой способ минимизировать этот тип шума — уменьшить напряжение питания вентилятора. Вентиляторы указываются с диапазоном рабочего напряжения, и те, которые имеют вход постоянного тока, обычно вращаются со скоростью, зависящей от фактического подаваемого напряжения постоянного тока. Чем медленнее вращается вентилятор, тем менее слышен будет шум.
Как использовать данные для управления температурой:
Управление температурным режимом современных блоков питания становится все более важным из-за более высокой удельной мощности и меньшего объема радиаторов. В связи с этим технические характеристики теперь содержат важную информацию для разработчиков систем. Это гарантирует, что блоки питания не будут работать при чрезмерно высоких температурах, устанавливая конкретные максимальные температуры для выбранных компонентов.
После выбора вентилятора этим методом следует провести окончательную проверку, измерив температуру этих компонентов в окончательной конфигурации. Если окажется, что температура компонента превысит значение, указанное в техническом описании, следует пересмотреть воздушный поток и его направление.
Для получения дополнительной информации о правильном охлаждении блоков питания, пожалуйста, свяжитесь с нами.
Об авторе: Эндрю Брайарс.
Эндрю Брайарс с отличием окончил факультет электротехники и электроники и работает в индустрии источников питания с 1990 года. Он работает в компании XP более 25 лет и занимал различные инженерные, торговые и управленческие должности, кульминацией чего стала его нынешняя должность старшего менеджера по продуктам.
