原标题：如何在工业和医疗系统中设计有效的电源热管理

　　在设计工业和医疗系统以确保可靠性时，电源单元 (PSU) 的高效且具有成本效益的热管理非常重要。为 PSU 设计有效的热管理系统是一项复杂的活动，很大程度上取决于 PSU 是封闭式还是开放式框架。

　　如果使用封闭式 PSU，则外壳类型会对气流和散热产生影响。虽然风扇有所帮助，但设计人员需要考虑风扇的可靠性以及系统风扇引起的背压，这会显着降低 PSU 风扇的效率，从而可能会增加 PSU 的工作温度。

　　PSU 在低输入线电压条件下的效率通常较低。因此，在低输入线路条件下长时间运行的设备可能会导致更高的热耗散并需要额外的冷却。最后，如果在工业和医疗系统中可能遇到的高温下运行，PSU 通常需要降额。

　　为了加快有效热管理系统的实施，设计人员可以求助于专为工业和医疗应用而设计的 PSU，这些 PSU 提供了一系列热管理选项。

　　本文回顾了设计工业和医疗系统时的热管理挑战，并为设计有效的热管理解决方案提供了指导。然后介绍了使用Bel Power Solutions的PSU 作为实际示例将 PSU 集成到工业和医疗设备中时的选项，并以设计人员在将 PSU 集成到整个系统热设计时可以遵循的一些实际步骤作为结尾。

　　电源热管理挑战

　　PSU 热管理挑战包括系统气流和系统风扇对集成到 PSU 中的任何风扇性能的影响、环境工作温度、峰值功率传输的需求以及输入电压范围对功耗的影响。这些是首要考虑因素;本文不涉及与机架安装系统或数据中心等特殊环境相关的二级热管理注意事项。

　　首要考虑因素之一是 PSU 气流的方向;正常气流产生正压离开系统，反向气流产生正压进入系统(图 1)。

图 1：在正常气流中，正压流出系统(左)。通过反向气流，正压进入系统(右)。(图片：贝尔电力解决方案)

　　一个风扇是不够的

　　许多 PSU 包括一个冷却风扇。带有风扇的 PSU 不仅不会简化热设计，反而会使热设计复杂化，同时还要考虑气流方向以及系统或机箱的气流阻抗和压力。并发症包括：

　　系统风扇可以与 PSU 风扇竞争并降低其效率，从而减少通过 PSU 的气流。

　　PSU 风扇的入口可能具有意外的高阻抗，从而减少通过 PSU 的气流。

　　电缆或其他障碍物会阻碍 PSU 气流，从而降低风扇的效率。

　　系统和 PSU 风扇可以通过多种方式进行交互，示例如下图 2 所示：

　　PSU 风扇产生正常的气流，但系统风扇的更高性能会导致机箱内的压力较低(负)，从而降低 PSU 风扇的效率。

　　PSU 风扇产生反向气流，系统风扇正在帮助 PSU 冷却，而不是与之对抗。但是，如果进入 PSU 的空气来自系统排气室，则会产生包括净气流减少在内的问题，以及导致 PSU 中热量积聚的再循环问题。

　　PSU 的进气口与主机箱气流隔离，保护 PSU 风扇免受系统风扇的干扰。为实现最大效益，PSU 的气流通道应具有低阻力。

图 2：散热设计必须考虑 PSU 中的气流方向以及 PSU 和系统风扇的相对强度。(图片来源：Bel Power Solutions)

　　峰值与标称额定功率和降额

　　峰值功率与标称功率的降额通常不同。峰值功率需求变化很大，从几毫秒 (ms) 到 10 秒或更长，这在许多工业和医疗系统中是一个重要的考虑因素。考虑两个针对不同峰值功率输出进行优化的 600 瓦 PSU 系列;Bel Power Solutions的ABC601 系列工业和医疗 AC-DC 电源的额定峰值功率输出为 10 秒，而VPS600 系列的峰值功率额定为 1 ms。

　　ABC601 系列在 85 至 305 伏交流电 (V AC ) 的输入电压范围内以 24、28、36 或 48 伏直流电 (V DC ) 的单路输出提供高达 600 瓦的稳压输出功率。例如，ABC601-1T48具有 48 V DC输出。对于封闭式前置风扇型号，这些 PSU 的额定持续功率为 600 瓦，峰值功率高达 800 瓦，持续时间长达 10 秒，温度高达 60°C(图 3)。它们的 5 V DC待机电源输出额定为 U 机箱型号为 1.2 安培 (A)，前置风扇型号为 1.5 A，以及一个 12 伏、1 A 的风扇输出。

图 3：ABC601 系列的封闭式前置风扇型号可在高达 60°C 的温度下提供 600 瓦的连续功率(上图红线)或高达 800 瓦持续长达 10 秒(下图红线)的功率. (图片来源：Bel Power Solutions)

　　ABC601 系列有两种封装，U 型机箱或带有前置风扇(图 4)。ABC601 系列具有内部电流共享电路，用于单元之间的并行操作，以提高总功率。

图 4：ABC601 PSU 提供风扇冷却(顶部)或对流冷却(底部)。(图片来源：Bel Power Solutions)

　　Bel Power Solutions 的 EOS Power VPS600 系列开放式框架 PSU 具有 85 至 264 V AC的较窄输入范围，可提供高达 600 瓦的连续输出功率和 720 瓦的峰值功率持续 1 毫秒(图 5)。这些 PSU 的输出电压为 12、15、24、30、48 和 58 V DC。例如，VPS600-1048的输出为 48 V DC。这些装置包括一个 5 V DC, 500 毫安 (mA), 待机电源输出和一个 12 伏, 500 mA, 风扇输出。虽然 ABC601 系列提供两种封装样式，但 VPS600 系列提供三种具有不同额定功率的产品：额定功率为 600 瓦的对流冷却 U 型通道、额定功率为 420 瓦的开槽盖单元和额定功率为 360 瓦的普通盖单元。

图 5：VSP600 系列提供三种封装配置，具有不同的额定额定功率;600 瓦对流冷却 U 型通道单元、420 瓦开槽盖单元和 360 瓦普通盖单元。(图片来源：Bel Power Solutions)

　　各种输出电压选项和封装样式具有不同的降额曲线。例如，24 V DC输出单元的降额为：

　　开放式框架

　　对流负载，600 瓦持续至 30°C

　　开槽盖

　　对流负载，420 瓦连续高达 30°C

　　普通封面

　　对流负载，360 瓦连续高达 30°C

　　适用于所有封面样式

　　在 30 到 50°C 之间每 °C 降额 0.833%

　　50°C 以上每°C 降低 2.5% 至最高 70°C

　　输入电压效应

　　在较低的输入电压下，PSU 效率可能会降低，从而导致标称输出功率的降额。例如，ABE1200/MBE1200 系列AC-DC 电源在 180 至 305 V AC输入下提供 1200 瓦功率，在 85 至 180 V AC输入范围内提供 1000 瓦功率(图 6)。这些标称额定值为 0 至 60°C。在 70°C 时，它们分别从 1200 到 1100 瓦和从 1000 到 900 瓦线性降低。

图 6：ABE1200/MBE1200 PSU 在 180 至 305 V AC的输入电压下提供 1200 瓦的功率，在 85 至 180 V AC的输入电压下提供 1000 瓦的功率。(图片来源：Bel Power Solutions)

　　这些 PSU 包括一个风扇速度控制，可在不需要最大气流时最大限度地减少可闻噪音。它们提供三种 1U 高度兼容的封装，包括带有两个风扇的封闭型号(仅限 24 V DC型号)和带有两个保护盖选项的 U 形机箱(图 7)。

图 7：ABE1200 PSU 提供双风扇(仅限 24 V DC型号)和两种保护盖选择。(图片来源：Bel Power Solutions)

　　DIN 不同

　　LEN120系列 PSU 的额定功率为 120 瓦，设计用于标准 DIN 导轨安装。例如，LEN120-12在 90 至 264 V AC(通用)或 127 至 370 V DC的标称输入电压范围内提供 12 V DC的输出(图 9)。在降低 DIN 导轨 PSU 的额定值时，数据表通常会同时考虑输入和输出电压以及工作温度。对于 LEN120 系列：

　　所有型号

　　从 -20°C 到 -10°C，标称 115 V AC输入，输出功率降低 2%/°C

　　-20°C 至 -10°C，标称 230 V AC输入，无需降额

　　从 +40°C 到 +60°C，标称 115 V AC输入，输出功率降低 2.5%/°C

　　对于 115 至 264 V AC和 162 至 370 V DC之间的输入电压，无需降额

　　对于 115 至 90 V AC和 162 至 127 V DC之间的输入电压(低压线路条件)，输出功率降低 1%/V

　　LEN120-12 型(12 V DC输出)

　　从 +45°C 到 +60°C，标称 230 V AC输入，输出功率降低 3.33%/°C

　　LEN120-24 和 LEN120-48 型(分别为 24 和 48 V DC输出)

　　从 +50°C 到 +60°C，标称 230 V AC输入，输出功率降低 5%/°C

图 8：LEN120 系列 DIN 导轨 PSU 的额定功率为 120 瓦，采用对流冷却。(图片来源：Bel Power Solutions)

　　实现更好的热设计的实际步骤

　　如图所示，将 PSU 集成到系统中涉及复杂的热设计问题。设计师可以遵循几个实际步骤来帮助避免不愉快的意外：

　　PSU 制造商可以提供有关风扇气流和静压(PQ 曲线)之间关系的详细信息，使设计人员能够了解 PSU 风扇在系统内部背压的情况下运行时的预期气流。

　　一些 PSU 制造商可以提供 PSU 的 FlowTHERM 热模型，该模型可用于整个系统模型，以评估 PSU 热性能并识别潜在问题。

　　让 PSU 制造商审查系统热设计并提出进一步分析的建议，或确认设计的有效性。

　　结论

　　在为医疗或工业应用设计 PSU 热管理系统时，需要考虑几个问题。它们包括系统气流、系统风扇对集成到 PSU 中的任何风扇性能的影响、指定的工作温度范围、支持峰值功率输出的需求以及输入电压范围对功耗的影响。

　　为了帮助解决这些问题，设计人员可以求助于 Bel Industrial Power 的 PSU 设计，这些设计针对不同的热环境和应用场景进行了优化。此外，PSU 制造商还提供热管理工具，可以帮助加快设计过程。