Como projetar o gerenciamento térmico eficaz da fonte de alimentação em sistemas industriais e médicos

O gerenciamento térmico eficiente e econômico para unidades de fonte de alimentação (PSUs) é importante ao projetar sistemas industriais e médicos para garantir a confiabilidade. Projetar um sistema de gerenciamento térmico eficaz para uma PSU é uma atividade complexa, e depende muito se a PSU tem estrutura fechada ou aberta.

Se for utilizada uma PSU fechada, o tipo de gabinete tem impacto sobre o fluxo de ar e a dissipação térmica. Embora as ventoinhas ajudam, os projetistas precisam considerar a confiabilidade da ventoinha, bem como a contrapressão causada pelas ventoinhas do sistema que pode reduzir significativamente a eficácia das ventoinhas da PSU, aumentando potencialmente as temperaturas de operação da PSU.

As PSUs geralmente têm menor eficiência em condições de baixa tensão da linha de entrada. Como resultado, as unidades que são operadas por longos períodos, sob condições de linha de entrada baixa, podem resultar em maior dissipação térmica e na necessidade de resfriamento adicional. Por fim, as PSUs muitas vezes demandam uma degradação se operadas a temperaturas elevadas que podem ser experimentadas em sistemas industriais e médicos.

Para acelerar a implementação de sistemas eficazes de gerenciamento térmico, os projetistas podem recorrer a PSUs especificamente projetadas para uso em aplicações industriais e médicas que oferecem uma gama de opções de gerenciamento térmico.

Este artigo analisa os desafios do gerenciamento térmico ao projetar sistemas industriais e médicos e oferece orientação para projetar soluções eficazes de gerenciamento térmico. Em seguida, apresenta opções ao integrar PSUs em equipamentos industriais e médicos usando PSUs da Bel Power Solutions como exemplos do mundo real, e finaliza com alguns passos práticos que os projetistas podem seguir ao integrar uma PSU no projeto térmico geral do sistema.

Desafios do gerenciamento térmico da fonte de alimentação

Os desafios do gerenciamento térmico das PSU incluem o fluxo de ar do sistema e o impacto que as ventoinhas do sistema podem ter no desempenho de qualquer ventoinha integrada às PSUs, a temperatura ambiente de operação, a necessidade do fornecimento da potência de pico e o impacto que a faixa da tensão de entrada pode ter na dissipação de potência. Estas são considerações de primeira ordem; este artigo não cita considerações de gerenciamento térmico de segunda ordem relacionadas a sistemas de montagem em rack ou ambientes especiais, tais como data centers.

Uma das primeiras considerações é o sentido do fluxo de ar da PSU; o fluxo de ar normal cria pressão positiva saindo do sistema, enquanto que o fluxo de ar inverso cria pressão positiva entrando no sistema (Figura 1).

Figura 1: No fluxo de ar normal, a pressão positiva sai do sistema (à esquerda). Com o fluxo de ar invertido, a pressão positiva entra no sistema (à direita). (Imagem: Bel Power Solutions)

Uma ventoinha não é suficiente

Muitas PSUs incluem uma ventoinha de resfriamento. Em vez de simplificar o projeto térmico, uma PSU com uma ventoinha pode complicar o projeto térmico com considerações de sentido do fluxo de ar, bem como a impedância e a pressão do fluxo de ar do sistema ou chassi. As complicações incluem:

• As ventoinhas do sistema podem competir com as ventoinhas da PSU e reduzir sua eficácia, reduzindo o fluxo de ar através da PSU.
• A entrada para a ventoinha da PSU pode ter uma impedância inesperadamente alta, reduzindo o fluxo de ar através da PSU.
• Os cabos ou outros obstáculos podem bloquear o fluxo de ar da PSU, reduzindo a eficácia das ventoinhas.

Há várias formas de interação entre as ventoinhas do sistema e da PSU, exemplos são mostrados na Figura 2 abaixo:

1. As ventoinhas da PSU produzem um fluxo de ar normal, mas o maior desempenho das ventoinhas do sistema resulta em uma menor pressão (negativa) dentro do chassi, reduzindo assim a eficácia das ventoinhas da PSU.
2. As ventoinhas da PSU produzem fluxo de ar inverso e as ventoinhas do sistema estão ajudando o resfriamento da PSU, não lutando contra isso. Entretanto, se o ar que entra na PSU está vindo da câmara de exaustão do sistema, isso pode criar problemas que incluem uma redução no fluxo de ar resultante, bem como problemas de recirculação que causam o acúmulo de calor na PSU.
3. A entrada de ar para a PSU é isolada do fluxo de ar do chassi principal, protegendo as ventoinhas da PSU contra interferência das ventoinhas do sistema. Para se obter o máximo benefício, o canal de fluxo de ar para a PSU deve ter uma baixa resistência.

Figura 2: O projeto térmico deve levar em consideração o sentido do fluxo de ar na PSU e os pontos fortes relativos das ventoinhas da PSU e do sistema. (Fonte da imagem: Bel Power Solutions)

Dimensionamento e degradação da potência de pico vs. potência nominal

A degradação é muitas vezes diferente para potência de pico versus potência nominal. As necessidades da potência de pico variam amplamente de alguns milissegundos (ms) até 10 segundos ou mais, e é uma consideração importante em muitos sistemas industriais e médicos. Considere duas séries de PSU de 600 watts otimizadas para diferentes fornecimento da potência de pico; a série ABC601 de fontes de alimentação CA-CC, industriais e médicas, da Bel Power Solutions que é dimensionada para 10 segundos do fornecimento da potência de pico, e a série VPS600 que é dimensionada para 1 ms do fornecimento da potência de pico.

A série ABC601 fornece até 600 watts de potência de saída regulada em uma faixa da tensão de entrada de 85 a 305 volts de corrente alternada (V_CA) em saídas únicas de 24, 28, 36 ou 48 volts de corrente contínua (V_CC). Por exemplo, o ABC601-1T48 tem uma saída de 48 V_CC. Estas PSUs são dimensionadas para 600 watts de potência contínua ou potência de pico de até 800 watts por até 10 segundos a até 60°C para os modelos de ventoinhas de montagem frontal (Figura 3). Elas têm uma alimentação de "standby", ou de espera, de 5 V_CC dimensionada para 1,2 ampères (A) para os modelos de chassis U e 1,5 A para os modelos de ventoinhas de montagem frontal, e uma saída de ventoinha de 12 volts, 1 A.

Figura 3: Os modelos de ventoinhas da série ABC601 de montagem frontal fornecem 600 watts de potência contínua (linha vermelha no gráfico superior) ou até 800 watts por até 10 segundos (linha vermelha no gráfico inferior) a até 60°C. (Fonte da imagem: Bel Power Solutions)

A série ABC601 vem em dois invólucros, chassi com estrutura em U ou fechado com uma ventoinha montada na frente (Figura 4). A série ABC601 apresenta um circuito interno de compartilhamento de corrente para operação paralela entre unidades a fim de aumentar a potência total.

Figura 4: As PSUs ABC601 estão disponíveis com resfriamento por ventoinha (superior) ou por convecção (inferior). (Fonte da imagem: Bel Power Solutions)

A série EOS Power VPS600 de PSUs de estrutura aberta da Bel Power Solutions apresenta uma faixa de entrada mais estreita de 85 a 264 V_CA e fornece até 600 watts de potência de saída contínua e potência de pico de 720 watts por 1 ms (Figura 5). Estas PSUs estão disponíveis com tensões de saída de 12, 15, 24, 30, 48 e 58 V_CC. Por exemplo, o VPS600-1048 tem uma saída de 48 V_CC. Estas unidades incluem uma saída de alimentação em espera de 5 V_CC, 500 miliamperes (mA), e uma saída de ventoinha de 12 volts, 500 mA. Enquanto a série ABC601 é oferecida em dois estilos de invólucros, a série VPS600 está disponível em três com potências diferentes: canal U resfriado por convecção dimensionado para 600 watts, unidades de tampa com fendas dimensionadas para 420 watts e unidades de tampa plana dimensionadas para 360 watts.

Figura 5: A série VSP600 está disponível em três configurações de invólucro com diferentes potências nominais; unidades de canal U resfriadas por convecção de 600 watts, unidades de tampa com fendas de 420 watts e unidades de tampa plana de 360 watts. (Fonte da imagem: Bel Power Solutions)

As várias opções da tensão de saída e estilos de invólucro têm curvas diferentes de degradação. Por exemplo, a degradação para unidades de saída de 24 V_CC é:

• Estrutura aberta
  • Carga de convecção, 600 watts contínuos até 30°C
• Tampa com fendas
  • Carga de convecção, 420 watts contínuos até 30°C
• Tampa plana
  • Carga de convecção, 360 watts contínuos até 30°C
• Para todos os estilos de tampas
  • Degrada entre 30 e 50°C em 0,833% por °C
  • Degrada acima de 50°C em 2,5% por °C até um máximo de 70°C

O efeito da tensão de entrada

A eficiência da PSU pode ser reduzida em tensões de entrada mais baixas, resultando na degradação da potência nominal de saída. Por exemplo, a série ABE1200/MBE1200 de fontes de alimentação CA-CC fornece 1200 watts com uma entrada de 180 a 305 V_CA, e 1000 watts com uma faixa de entrada de 85 a 180 V_CA (Figura 6). Estes dimensionamentos nominais são de 0 a 60°C. A 70°C, elas degradam linearmente de 1200 a 1100 watts e de 1000 a 900 watts, respectivamente.

Figura 6: As PSUs ABE1200/MBE1200 fornecem 1200 watts com tensões de entrada de 180 a 305 V_CA e 1000 watts com tensões de entrada de 85 a 180 V_CA. (Fonte da imagem: Bel Power Solutions)

Estas PSUs incluem um controle de velocidade da ventoinha para minimizar o ruído audível, quando o fluxo máximo de ar não for necessário. Estão disponíveis em três invólucros compatíveis de altura 1U, incluindo um modelo fechado com duas ventoinhas (somente modelos de 24 V_CC), e um chassi em forma de U com duas opções de tampa protetora (Figura 7).

Figura 7: As PSUs ABE1200 estão disponíveis com duas ventoinhas (somente modelos de 24 V_CC), e duas opções de tampas de proteção. (Fonte da imagem: Bel Power Solutions)

DIN é diferente

As PSUs da série LEN120 têm uma potência nominal de 120 watts e são projetadas para montagem padrão em trilho DIN. Por exemplo, o LEN120-12 fornece uma saída de 12 V_CC sobre faixas da tensão nominal de entrada de 90 a 264 V_CA (universal) ou 127 a 370 V_CC (Figura 8). Sobre degradação das PSUs de trilho DIN, as fichas técnicas geralmente consideram simultaneamente as tensões de entrada e saída, além da temperatura de operação. Para a série LEN120:

• Todos os modelos
  • De -20°C a -10°C, com uma entrada nominal de 115 V_CA, a potência de saída degrada em 2%/°C
  • De -20°C a -10°C, com uma entrada nominal de 230 V_CA, não é necessária a degradação
  • De +40°C a +60°C, com uma entrada nominal de 115 V_CA, a potência de saída degrada em 2,5%/°C
  • Para tensões de entrada entre 115 e 264 V_CA e entre 162 e 370 V_CC, não é necessária a degradação
  • Para tensões de entrada entre 115 e 90 V_CA e entre 162 e 127 V_CC (condições de linha baixa), a potência de saída degrada em 1%/V
• Modelo LEN120-12 (saída de 12 V_CC)
  • De +45°C a +60°C, com uma entrada nominal de 230 V_CA, a potência de saída degrada em 3,33%/°C
• Modelos LEN120-24 e LEN120-48 (saída de 24 e 48 V_CC, respectivamente)
  • De +50°C a +60°C, com uma entrada nominal de 230 V_CA, a potência de saída degrada em 5%/°C

Figura 8: As PSUs de trilho DIN da série LEN120 são dimensionadas com 120 watts e são resfriadas por convecção. (Fonte da imagem: Bel Power Solutions)

Passos práticos para melhores projetos térmicos

Como mostrado, a integração de uma PSU em um sistema envolve questões complexas de projeto térmico. Há vários passos práticos que os projetistas podem seguir para ajudar a evitar surpresas desagradáveis:

• O fabricante da PSU pode fornecer informações detalhadas sobre a relação entre o fluxo de ar da ventoinha e a pressão estática (a curva P-Q), permitindo que os projetistas saibam qual o fluxo de ar esperado e se a ventoinha da PSU funcionará a favor ou contra a contrapressão interna no sistema.
• Alguns fabricantes de PSU podem fornecer modelos térmicos FlowTHERM da PSU que podem ser usados no modelo geral do sistema para avaliar o desempenho térmico da PSU e identificar possíveis preocupações.
• Peça ao fabricante da PSU que reveja um projeto térmico do sistema e faça recomendações para análise posterior, ou confirme a validade do projeto.

Conclusão

Há várias questões a serem consideradas ao projetar um sistema de gerenciamento térmico de PSU para aplicações médicas ou industriais. Elas incluem o fluxo de ar do sistema, o impacto que as ventoinhas do sistema podem ter no desempenho de qualquer ventoinha integrada na PSU, a faixa especificada da temperatura de operação, a necessidade de dar suporte ao fornecimento da potência de pico e o impacto que a faixa da tensão de entrada pode ter na dissipação de potência.

Para ajudar a resolver estes problemas, os projetistas podem recorrer aos projetos de PSU da Bel Industrial Power que são otimizados para diferentes ambientes térmicos e cenários de aplicação. Além disso, ferramentas de gerenciamento térmico estão disponíveis nos fabricantes de PSU que podem ajudar a acelerar o processo de projeto.

Leitura recomendada

1. Selecionando uma ventoinha