Cómo diseñar una gestión térmica eficaz de la fuente de alimentación en sistemas industriales y médicos

La gestión térmica eficiente y rentable de las fuentes de alimentación es importante a la hora de diseñar sistemas industriales y médicos para garantizar su fiabilidad. El diseño de un sistema de gestión térmica eficaz para una fuente de alimentación es una actividad compleja, y depende en gran medida de si la fuente de alimentación es de estructura cerrada o abierta.

Si se utiliza una fuente de alimentación cerrada, el tipo de carcasa influye en el flujo de aire y la disipación térmica. Aunque los ventiladores ayudan, los diseñadores deben tener en cuenta la fiabilidad de los mismos, así como la contrapresión causada por los ventiladores del sistema, que puede reducir significativamente la eficacia de los ventiladores de la fuente de alimentación, aumentando potencialmente las temperaturas de funcionamiento de la misma.

Las fuentes de alimentación suelen tener una menor eficiencia en condiciones de baja tensión de línea de entrada. Como resultado, las unidades que funcionan durante períodos prolongados en condiciones de línea de entrada baja pueden dar lugar a una mayor disipación térmica y a la necesidad de refrigeración adicional. Por último, las fuentes de alimentación suelen requerir una reducción de potencia si se utilizan a las elevadas temperaturas que se pueden experimentar en los sistemas industriales y médicos.

Para acelerar la implementación de sistemas de gestión térmica eficaces, los diseñadores pueden recurrir a fuentes de alimentación específicamente diseñadas para su uso en aplicaciones industriales y médicas que ofrecen una serie de opciones de gestión térmica.

Este artículo repasa los retos de la gestión térmica en el diseño de sistemas industriales y médicos y ofrece orientación para diseñar soluciones eficaces de gestión térmica. A continuación, presenta las opciones de integración de las fuentes de alimentación en los equipos industriales y médicos utilizando las fuentes de alimentación de Bel Power Solutions como ejemplos del mundo real, y concluye con algunos pasos prácticos que los diseñadores pueden seguir al integrar una fuente de alimentación en el diseño térmico general del sistema.

Retos de la gestión térmica de la fuente de alimentación

Los retos de la gestión térmica de las fuentes de alimentación incluyen el flujo de aire del sistema y el impacto que los ventiladores del sistema pueden tener en el rendimiento de cualquier ventilador integrado en las fuentes de alimentación, la temperatura de funcionamiento del entorno, la necesidad de suministrar potencia máxima y el impacto que el rango de tensión de entrada puede tener en la disipación de energía. Estas son consideraciones de primer orden; este artículo no toca las consideraciones de gestión térmica de segundo orden relacionadas con los sistemas de montaje en rack o con entornos especiales como los centros de datos.

Una de las primeras consideraciones es la dirección del flujo de aire de la PSU; el flujo de aire normal crea una presión positiva al salir del sistema y el flujo de aire inverso crea una presión positiva al entrar en el sistema (Figura 1).

Figura 1: En un flujo de aire normal, la presión positiva sale del sistema (izquierda). Con el flujo de aire inverso, la presión positiva entra en el sistema (derecha). (Imagen: Bel Power Solutions)

Un ventilador no es suficiente

Muchas fuentes de alimentación incluyen un ventilador de refrigeración. En lugar de simplificar el diseño térmico, una fuente de alimentación con ventilador puede complicar el diseño térmico con consideraciones sobre la dirección del flujo de aire, así como la impedancia y la presión del flujo de aire del sistema o del chasis. Las complicaciones incluyen:

• Los ventiladores del sistema pueden competir con los ventiladores de la PSU y reducir su eficacia, reduciendo el flujo de aire a través de la PSU.
• La entrada al ventilador de la PSU puede tener una impedancia inesperadamente alta, reduciendo el flujo de aire a través de la PSU.
• Los cables u otros obstáculos pueden bloquear el flujo de aire de la PSU, reduciendo la eficacia de los ventiladores.

Los ventiladores del sistema y de la fuente de alimentación pueden interactuar de varias maneras; en la figura 2 se muestran algunos ejemplos:

1. Los ventiladores de la PSU producen un flujo de aire normal, pero el mayor rendimiento de los ventiladores del sistema da lugar a una menor presión (negativa) dentro del chasis, lo que reduce la eficacia de los ventiladores de la PSU.
2. Los ventiladores de la PSU producen un flujo de aire inverso y los ventiladores del sistema ayudan a la refrigeración de la PSU, no la combaten. Sin embargo, si el aire que entra en la PSU proviene del plenum de escape del sistema, esto puede crear problemas que incluyen una reducción del flujo de aire neto, así como problemas de recirculación que causan la acumulación de calor en la PSU.
3. La entrada de aire a la fuente de alimentación está aislada del flujo de aire principal del chasis, lo que protege a los ventiladores de la fuente de alimentación de las interferencias de los ventiladores del sistema. Para obtener el máximo beneficio, el canal de flujo de aire de la fuente de alimentación debe tener una baja resistencia.

Figura 2: El diseño térmico debe tener en cuenta la dirección del flujo de aire en la fuente de alimentación y la potencia relativa de la fuente de alimentación y los ventiladores del sistema. (Fuente de la imagen: Bel Power Solutions)

Potencia nominal y de pico y reducción de potencia

El derrateo suele ser diferente para la potencia de pico que para la potencia nominal. Las necesidades de potencia máxima varían mucho, desde unos pocos milisegundos (ms) hasta 10 segundos o más, y es una consideración importante en muchos sistemas industriales y médicos. Piense en dos series de fuentes de alimentación de 600 vatios optimizadas para diferentes picos de potencia: la serie ABC601 de fuentes de alimentación CA-CC industriales y médicas de Bel Power Solutions, con una potencia máxima de 10 segundos, y la serie VPS600, con una potencia máxima de 1 ms.

La serie ABC601 proporciona hasta 600 vatios de potencia de salida regulada en un rango de tensión de entrada de 85 a 305 voltios de corriente alterna (V_CA) en salidas individuales de 24, 28, 36 o 48 voltios de corriente continua (V_CC). Por ejemplo, el ABC601-1T48 tiene una salida de 48 V_CC. Estas fuentes de alimentación tienen una potencia nominal de 600 vatios continuos o picos de potencia de hasta 800 vatios durante un máximo de 10 segundos a una temperatura de hasta 60 °C para los modelos con ventilador frontal cerrado (Figura 3). Disponen de una salida de energía de reserva de 5 V_CC con una capacidad de 1.2 amperios (A) para los modelos de chasis en U y de 1.5 A para los modelos de ventilador frontal, y una salida de ventilador de 12 voltios y 1 A.

Figura 3: Los modelos de ventilador frontal cerrado de la serie ABC601 ofrecen 600 vatios de potencia continua (línea roja en el gráfico superior) o hasta 800 vatios durante un máximo de 10 segundos (línea roja en el gráfico inferior) a una temperatura de hasta 60 °C. (Fuente de la imagen: Bel Power Solutions)

La serie ABC601 viene en dos paquetes, chasis en U o cerrado con un ventilador montado en el frente (Figura 4). La serie ABC601 cuenta con un circuito interno de reparto de corriente para el funcionamiento en paralelo entre las unidades para mejorar la potencia total.

Figura 4: Las fuentes de alimentación ABC601 están disponibles con refrigeración por ventilador (arriba) o por convección (abajo). (Fuente de la imagen: Bel Power Solutions)

La serie EOS Power VPS600 de fuentes de alimentación de bastidor abierto de Bel Power Solutions presenta un rango de entrada más estrecho, de 85 a 264 V_CA, y ofrece hasta 600 vatios de potencia de salida continua y una potencia máxima de 720 vatios durante 1 ms (Figura 5). Estas fuentes de alimentación están disponibles con tensiones de salida de 12, 15, 24, 30, 48 y 58 V_CC. Por ejemplo, el VPS600-1048 tiene una salida de 48 V_CC. Estas unidades incluyen una salida de energía de reserva de 5 V_CC, 500 miliamperios (mA), y una salida de ventilador de 12 voltios, 500 mA. Mientras que la serie ABC601 se ofrece en dos estilos de envase, la serie VPS600 está disponible en tres con diferentes potencias: canal en U refrigerado por convección con una potencia de 600 vatios, unidades de cubierta ranurada con una potencia de 420 vatios y unidades de cubierta lisa con una potencia de 360 vatios.

Figura 5: La serie VSP600 está disponible en tres configuraciones de encapsulado con diferentes potencias nominales: unidades de canal U refrigeradas por convección de 600 vatios, unidades de cubierta ranurada de 420 vatios y unidades de cubierta plana de 360 vatios. (Fuente de la imagen: Bel Power Solutions)

Las distintas opciones de tensión de salida y estilos de encapsulado tienen diferentes curvas de reducción de potencia. Por ejemplo, la reducción de potencia para las unidades de salida de 24 V_CC es:

• Armazón abierto
  • Carga de convección, 600 vatios continuos hasta 30°C
• Tapa ranurada
  • Carga de convección, 420 vatios continuos hasta 30 °C
• Cubierta lisa
  • Carga de convección, 360 vatios continuos hasta 30 °C
• Para todos los estilos de cubierta
  • Reducir entre 30 y 50°C un 0.833% por °C
  • Reducir por encima de 50 °C un 2,5% por °C hasta un máximo de 70 °C

El efecto de la tensión de entrada

La eficiencia de la fuente de alimentación puede reducirse con tensiones de entrada más bajas, lo que provoca una reducción de la potencia de salida nominal. Por ejemplo, las fuentes de alimentación CA-CC de la serie ABE1200/MBE1200 proporcionan 1200 vatios con una entrada de 180 a 305 V_CA, y 1000 vatios con un rango de entrada de 85 a 180 V_CA (Figura 6). Estos valores nominales van de 0 a 60 °C. A 70 °C, se reducen linealmente de 1200 a 1100 vatios y de 1000 a 900 vatios, respectivamente.

Figura 6: Las fuentes de alimentación ABE1200/MBE1200 proporcionan 1200 vatios con tensiones de entrada de 180 a 305 V_CA y 1000 vatios con tensiones de entrada de 85 a 180 V_CA. (Fuente de la imagen: Bel Power Solutions)

Estas fuentes de alimentación incluyen un control de la velocidad del ventilador para minimizar el ruido audible cuando no se necesita el máximo flujo de aire. Están disponibles en tres paquetes compatibles con una altura de 1U, incluyendo un modelo cerrado con dos ventiladores (sólo modelos de 24 V_CC), y un chasis en forma de U con dos opciones de cubierta protectora (Figura 7).

Figura 7: Las fuentes de alimentación ABE1200 están disponibles con dos ventiladores (sólo en los modelos de 24 V_CC) y dos opciones de cubiertas protectoras. (Fuente de la imagen: Bel Power Solutions)

El DIN es diferente

Las fuentes de alimentación de la serie LEN120 tienen una potencia nominal de 120 vatios y están diseñadas para su montaje en carril DIN estándar. Por ejemplo, el LEN120-12 ofrece una salida de 12 V_CC en rangos de tensión de entrada nominal de 90 a 264 V_CA (universal) o de 127 a 370 V_CC (Figura 9). Al reducir la potencia de las fuentes de alimentación de carril DIN, las hojas de datos suelen tener en cuenta simultáneamente las tensiones de entrada y salida, además de la temperatura de funcionamiento. Para la serie LEN120:

• Todos los modelos
  • De -20 °C a -10 °C, con una entrada nominal de 115 V_CA, la potencia de salida disminuye un 2%/°C
  • De -20 °C a -10 °C, con una entrada nominal de 230 V_CA, no se requiere reducción de potencia
  • De +40 °C a +60 °C, con una entrada nominal de 115 V_CA, la potencia de salida disminuye un 2.5%/°C
  • Para tensiones de entrada entre 115 y 264 V_CA y entre 162 y 370 V_CC, no es necesario reducir la potencia.
  • Para tensiones de entrada entre 115 y 90 V_CA y entre 162 y 127 V_CC (condiciones de línea baja), la potencia de salida disminuye 1%/V
• Modelo LEN120-12 (salida de 12 V_CC)
  • De +45°C a +60°C, con una entrada nominal de 230 V_CA, la potencia de salida disminuye un 3.33%/°C
• Modelos LEN120-24 y LEN120-48 (salida de 24 y 48 V_CC, respectivamente)
  • De +50 °C a +60 °C, con una entrada nominal de 230 V_CA, la potencia de salida disminuye un 5%/°C

Figura 8: Las fuentes de alimentación de carril DIN de la serie LEN120 tienen una potencia nominal de 120 vatios y están refrigeradas por convección. (Fuente de la imagen: Bel Power Solutions)

Pasos prácticos para mejorar los diseños térmicos

Como se ha visto, la integración de una fuente de alimentación en un sistema implica complejas cuestiones de diseño térmico. Hay varias medidas prácticas que los diseñadores pueden seguir para evitar sorpresas desagradables:

• El fabricante de la fuente de alimentación puede proporcionar información detallada sobre la relación entre el flujo de aire del ventilador y la presión estática (la curva P-Q), lo que permite a los diseñadores saber qué flujo de aire esperar si el ventilador de la fuente de alimentación funcionará con o contra la contrapresión interna del sistema.
• Algunos fabricantes de fuentes de alimentación pueden suministrar modelos térmicos FlowTHERM de la fuente de alimentación que pueden utilizarse en el modelo general del sistema para evaluar el rendimiento térmico de la fuente de alimentación e identificar posibles problemas.
• Haga que el fabricante de la fuente de alimentación revise el diseño térmico de un sistema y haga recomendaciones para un análisis posterior, o confirme la validez del diseño.

Conclusión:

Hay varias cuestiones que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar un sistema de gestión térmica de la fuente de alimentación para aplicaciones médicas o industriales. Entre ellos se encuentran el flujo de aire del sistema, el impacto que los ventiladores del sistema pueden tener en el rendimiento de cualquier ventilador integrado en la fuente de alimentación, el rango de temperatura de funcionamiento especificado, la necesidad de soportar la entrega de potencia máxima y el impacto que el rango de voltaje de entrada puede tener en la disipación de energía.

Para ayudar a resolver estos problemas, los diseñadores pueden recurrir a los diseños de fuentes de alimentación de Bel Industrial Power que están optimizados para diferentes entornos térmicos y escenarios de aplicación. Además, los fabricantes de fuentes de alimentación disponen de herramientas de gestión térmica que pueden ayudar a acelerar el proceso de diseño.

Lectura recomendada

1. Selección de un ventilador