Wskazówki i porady dotyczące stosowania wentylatorów chłodzących w zasilaczach

PRZEGLĄD PORUSZONYCH ZAGADNIEŃ

• Robocza temperatura otoczenia wpływa na ciepło zasilaczy i urządzeń końcowych w obudowie, potencjalnie poza ich temperaturą roboczą,
• Chłodzenie zasilaczy i podzespołów za pomocą wentylatorów wymaga obliczenia wymaganego przepływu powietrza i zrozumienia spadku ciśnienia,
• Gospodarka cieplna ma istotny wpływ na utrzymanie żywotności i niezawodności zasilaczy oraz podzespołów systemu.

Jak wiadomo jeśli rozproszymy ciepło w zamkniętej przestrzeni lub obudowie, temperatura w tej przestrzeni wzrośnie. Wraz ze wzrostem temperatury otoczenia zarówno zasilacz, jak i obciążenie będą się dalej nagrzewać, prawdopodobnie powyżej ich maksymalnej temperatury roboczej.

Zdecydowanie chcemy uniknąć takiej sytuacji, ponieważ ciepło jest główną przyczyną zawodności i/lub skrócenia żywotności zasilacza w systemie elektronicznym. Powodem tego jest to, że trwałość kondensatorów elektrolitycznych jest silnie związana z niższą temperaturą pracy obudowy. Do gry wchodzą zatem zasilacze chłodzone.

Jak działają chłodzone zasilacze?

Niektóre zasilacze są zaprojektowane do wymuszonego chłodzenia za pomocą wentylatora systemowego, który usuwa nadmiar ciepła z obudowy. W takich przypadkach przepływ powietrza wymagany do odpowiedniego chłodzenia zostanie określony w karcie katalogowej zasilacza. Należy pamiętać, że jest to przepływ powietrza potrzebny w miejscu samego zasilacza — wentylator umieszczony nawet w niewielkiej odległości nie wystarczy.

Ponieważ powietrze zawsze porusza się po linii najmniejszego oporu, tylko część powietrza wypychanego przez wentylator dociera do zasilacza tam, gdzie jest potrzebna. Wewnętrzne panele kierujące przepływ powietrza (przegrody) pomogą skierować powietrze wzdłuż wymaganej ścieżki, aby dotrzeć do docelowych komponentów i je schłodzić.

Jak obliczyć przepływ powietrza?

Niezależnie od tego, czy sprzęt musi pracować w niższej temperaturze, czy też zasilacz wymaga zewnętrznego chłodzenia wentylatorem, przepływ powietrza należy obliczyć, wykonując następujące czynności:

Ustal maksymalną temperaturę

Po pierwsze, należy ustalić maksymalną temperaturę roboczą, w której zasilacz lub elektronika mogą bezpiecznie działać. Dla samego zasilacza zazwyczaj może to być 50°C i jest to zwykle związane z atestami bezpieczeństwa lub potrzebą niższej wartości, aby wydłużyć żywotność komponentów. Ogólna zasada jest taka, że ​​obniżenie temperatury obudowy kondensatora elektrolitycznego o 10°C powoduje podwojenie żywotności zasilacza.

Następnie należy wziąć pod uwagę najwyższą temperaturę powietrza wokół obudowy sprzętu, w którym znajduje się zasilacz. Różnica między nimi będzie najwyższym dopuszczalnym wzrostem temperatury. Weźmy na przykład pod uwagę, że zasilacz może działać w temperaturze otoczenia 50°C. Jeżeli kontener zasilacza ma pracować w środowisku nieklimatyzowanym, w którym maksymalna temperatura może dochodzić do 40°C, to całkowity dozwolony wzrost temperatury wyniesie 10°C.

Określ rozpraszanie mocy

Następnym krokiem jest ustalenie ilości mocy, która zostanie rozproszona. Całkowita moc rozpraszana wewnątrz obudowy jest sumą mocy pobieranej przez obciążenie oraz mocy traconej przez zasilacz w postaci ciepła odpadowego. Na przykład, jeśli obciążenie pobierane przez elektronikę wynosi zwykle 260 W i zakładając, że zasilacz ma sprawność 80%, całkowite rozproszenie ciepła wynosi 260W / 0,8, tj. 325 W. Następnie można obliczyć wymagany przepływ powietrza.

Wzór to przepływ powietrza (w m3/godz.) = 2,6 * całkowita moc rozpraszana (w W) / dopuszczalny wzrost temperatury (w °C). W naszym przykładzie wymagany przepływ powietrza wynosiłby 2,6 * 325 W / 10°C = 84,5 m3/godz.

Jak kontrolować przepływ powietrza?

Niestety znalezienie rozwiązania nie jest tak proste, jak obliczenie wymaganego przepływu powietrza. Korzystając z powyższych obliczeń, powinieneś być w stanie wybrać odpowiednią wartość znamionową przepływu powietrza wentylatora, ale w rzeczywistości obudowa będzie miała naturalny opór przepływu powietrza, zwany inaczej spadkiem ciśnienia.

Spadek ciśnienia

Utrata ciśnienia zmniejsza swobodny przepływ powietrza przez wentylator, czyli objętość powietrza, która jest uwalniana w całym urządzeniu przez pewien czas. Spadki będą również różnić się w zależności od zastosowania, w zależności od rozmiaru i lokalizacji płytki drukowanej, wielkości otworów wlotowych i wylotowych oraz pola przekroju poprzecznego, przez które przepływa powietrze.

Tam, gdzie sprawy stają się trochę skomplikowane, strata ciśnienia zależy również od prędkości powietrza przechodzącego przez obudowę. Co więcej, spadek ciśnienia jest z kolei zależny od prędkości powietrza. Większa prędkość powietrza spowoduje większy spadek ciśnienia, ale ten spadek zmniejsza prędkość powietrza. Jeśli nie zostanie przeprowadzony staranny dobór wentylatora, wentylator może stać się wręcz bezużyteczny. Na przykład w zastosowaniach, w których wynikający z tego spadek ciśnienia i prędkość powietrza osiągają punkt równowagi poniżej poziomu wymaganego do odprowadzania ciepła z obudowy.

Określenie rzeczywistych strat ciśnienia dla każdego zastosowania byłoby zbyt skomplikowane, ponieważ wymaga to szczegółowej znajomości równań dynamiki płynów. Jednak możemy to przybliżyć, korzystając z charakterystycznej krzywej urządzenia pokazanej poniżej na rysunku 1. Da to początkowy punkt wyjścia, który można wykorzystać do dalszej oceny.

Jeśli weźmiemy pod uwagę przepływ powietrza obliczony wcześniej, krzywa wskazuje, że spadek ciśnienia wyniósłby 11Pa. Dlatego wiemy, że potrzebujemy wentylatora, który może generować przepływ powietrza 84,5 m3/godz. przy spadku ciśnienia 11 Pa.

Każdy producent wentylatorów opublikuje dla każdego produktu wykres wskazujący przepływ powietrza przy różnych stratach ciśnienia. W poniższym przykładzie, Rysunek 2, krzywe podano dla pięciu wentylatorów. Jasny stożek pokazuje optymalny zakres pracy dla każdego z wentylatorów. W naszym przykładzie wentylator numer pięć musiałby zostać użyty, aby zapewnić wymagany przepływ powietrza na poziomie 84,5 m3/godz. przy spadku ciśnienia 11 Pa.

Jak zarządzać żywotnością zasilacza?

Wszystkie te czynniki są brane pod uwagę przez projektanta zasilacza, zanim producenci zastosują projektowe zasady obniżania wartości znamionowych, aby zapewnić odpowiednią żywotność produktu. Zasady te nie uwzględniają profilu misji, środowiska, orientacji montażu, pozycjonowania, otaczającej przestrzeni, zastosowanego obciążenia oraz układów chłodzenia/odpowietrzania systemu zainstalowanych w sprzęcie końcowym. Żywotność kondensatora, szczególnie w środowiskach konwekcyjnych lub chłodzonych naturalnie, powinna zostać ponownie oceniona na podstawie instalacji. Jak użytkownicy mogą zarządzać okresem eksploatacji zasilaczy?

Temperatury obudowy

Oczywiście pomiar przyłożonych prądów tętniących (część AC sygnału prądowego) nie jest praktyczny. Jednak biorąc pod uwagę, że zarówno ogólny sprzęt, jak i konstrukcja zasilacza określają efektywną temperaturę roboczą komponentu, dobrym wskaźnikiem żywotności każdego kondensatora może być pomiar temperatury jego obudowy, oraz zastosowanie równania Arrheniusa i profilu misji do podstawowego czasu życia określonego przez producenta części.

Żywotność

Wiele arkuszy danych zasilaczy, takich jak serii GCS, identyfikuje kluczowe komponenty, które decydują o żywotności produktu. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku urządzeń wymagających zewnętrznego chłodzenia z urządzeń końcowych oraz urządzeń zaprojektowanych do zastosowań z chłodzeniem konwekcyjnym.

Rozpoznanie ich pomaga projektantowi systemu w określeniu żywotności zasilacza w aplikacji końcowej. Poniższy rysunek mechaniczny identyfikuje elementy, a krzywe wskazują oczekiwaną żywotność zasilacza w oparciu o temperaturę dwóch kondensatorów (C6 i C23).

Po ustaleniu wymaganego spadku ciśnienia i przepływu powietrza należy wziąć pod uwagę kilka innych kwestii. Jak wspomniano wcześniej, w przypadku chłodzenia urządzeń ogólnych wentylator można umieścić w dowolnym miejscu, o ile powietrze przepływa przez elementy źródła ciepła.

Wymuszone chłodzenie

W przypadku zasilacza zaprojektowanego z wymuszonym chłodzeniem ilość przepływającego przez niego powietrza ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego i niezawodnego działania. Jeśli wentylatora nie można umieścić bezpośrednio przy zasilaczu lub jeśli nie można skierować na niego całego strumienia powietrza, wybrany wentylator będzie musiał mieć znacznie większą moc znamionową.

Niektóre wentylatory mają prędkość powietrza w stopach liniowych na minutę (LFM), podczas gdy inne mają pojemność liczoną w stopach sześciennych na minutę (CFM) lub metrach sześciennych na godzinę (m3/godz.). Aby przekonwertować między nimi, należy znać pole przekroju poprzecznego systemu wentylacyjnego wentylatora - jest to jedyny niezawodny sposób, aby to zrobić. W przypadku zasilacza z wymuszonym chłodzeniem wymagany przepływ powietrza można podać w postaci prędkości, takiej jak LFM, lub objętości, takiej jak CFM.

Filtry przeciwpyłowe

Urządzenia z wentylatorami często posiadają filtry zapobiegające przedostawaniu się niechcianego kurzu. Zwiększą one opór przepływu powietrza, przyczyniając się do utraty ciśnienia, dlatego należy je wziąć pod uwagę. Co ważniejsze, w miarę jak filtr zatyka się brudem, spadek ciśnienia może znacznie wzrosnąć, a wentylator o odpowiedniej mocy na początku pracy może stać się złym wyborem po pewnym czasie użytkowania. Z tego powodu filtry przeciwpyłowe należy regularnie czyścić lub wymieniać.

Jak zminimalizować hałas?

Dodanie wentylatora do urządzenia powoduje, że jest on słyszalny. Niektóre aplikacje nie tolerują żadnego hałasu - na przykład w szpitalach lub studiach nagraniowych. Nawet w przypadku zastosowań w głośnym otoczeniu zwykle pożądane jest minimalizacja źródeł szumu. Można to zrobić kilkoma metodami.

Łożyska wentylatora

Jednym ze sposobów zminimalizowania hałasu jest użycie wentylatora z łożyskiem wyższej jakości. Wentylatory z łożyskami kulkowymi, które wykorzystują pierścień kulek wokół wału, aby rozwiązać problemy z nierównomiernym zużyciem i chybotaniem wirnika, są generalnie cichsze niż wentylatory z łożyskami tulejowymi (obudowane w ich tytułowej konstrukcji przypominającej tuleję) i mają tę zaletę, że mają dłuższą żywotność. Oczywiście istnieją wentylatory, które wykorzystują impregnowany olej w łożyskach tulejowych, co może temu przeciwdziałać.

Prędkość łopatek wentylatora

Ponadto przy danej objętości powietrza większy wentylator jest generalnie cichszy niż mniejszy ze względu na wymaganą mniejszą prędkość łopatek. Należy również zwrócić uwagę na hałas generowany przez łopatki wentylatora przechodzące przez pobliską stałą część wentylatora, taką jak rozpórka lub osłona palców. Jeśli osłonę na palce można oddzielić choćby nieznacznie od łopatek wentylatora, dźwięk może być zmniejszony.

Innym sposobem na zminimalizowanie tego typu zakłóceń jest obniżenie napięcia zasilania wentylatora. Wentylatory mają określony zakres napięcia roboczego, a te z wejściem prądu stałego zwykle obracają się z prędkością zależną od rzeczywistego dostarczonego napięcia prądu stałego. Im wolniej obracający się wentylator, tym mniej będzie słyszalny.

Jak wykorzystywać dane do zarządzania temperaturą?

Zarządzanie termiczne nowoczesnych zasilaczy staje się coraz ważniejsze ze względu na większą gęstość mocy i mniejszą objętość radiatorów. Dzięki temu karty katalogowe zawierają teraz informacje niezbędne dla projektantów urządzeń. Dzięki temu zasilacze nie pracują w zbyt wysokiej temperaturze w postaci określonych temperatur maksymalnych dla wybranych komponentów.

Po wybraniu wentylatora za pomocą tej metody należy przeprowadzić ostateczną kontrolę, mierząc temperatury tych elementów w ostatecznej konfiguracji. Jeśli wygląda na to, że temperatura elementu przekroczy wartość wskazaną w arkuszu danych, należy ponownie ocenić przepływ i kierunek powietrza.

Źródło: XP Power (https://www.xppower.com/resources/blog/hints-and-tips-for-using-cooling-fans-for-power-supplies), Tłumaczenie: Gamma Sp. z o.o.