Как охладить трансформатор в блоке питания

Обновлено: 02.07.2024

Источники питания — это устройства, которые заменяют один вид электроэнергии другим. В то время как трансформаторы передают один и тот же тип энергии между двумя или более цепями. И блоки питания, и трансформаторы могут различаться по размерам и встречаются в повседневных предметах. Например, кабели питания компьютеров или игровых приставок будут получать переменное напряжение от сети и вводить его в блок питания. Затем оно изменится на выходное напряжение постоянного тока и запитает устройство, замыкая цепь.

Трансформаторы не могут изменять типы напряжения, они будут работать только от переменного напряжения для создания изменяющегося магнитного поля. Без прямого электрического соединения с первичной и вторичной обмотками.

Какие типы блоков питания доступны?

У нас есть различные типы блоков питания, которые подходят для многих приложений. Например, некоторые из имеющихся у нас версий.

Материалы для монтажа на DIN-рейку и панель
Настольные блоки питания
Компьютерные блоки питания
Источники бесперебойного питания

Кроме того, у нас есть большой выбор аксессуаров для блоков питания, включая комплекты разъемов, фильтры и модули.

Какие типы трансформеров доступны?

Надежные и превосходные трансформаторы — это то, что мы можем предоставить абсолютно точно, поскольку между различными имеющимися у нас трансформаторами существуют большие различия. Но в качестве примера приведем некоторые из наиболее распространенных типов, которые мы предлагаем.

Трансформаторы для DIN-рейки и панели
Трансформаторы для печатных плат
Преобразователи освещения
Аудиопреобразователи

Почему стоит выбрать RS Components для источников питания или трансформаторов?

Как компания, мы ценим наших клиентов и работаем с уважаемыми брендами и производителями, которые придерживаются высоких стандартов. Включая собственный бренд RS Pro, который гарантирует, что электроника, которую вы получаете, обеспечивает отличную производительность. Когда дело доходит до энергии и электричества, без них бизнес не сможет функционировать. Все блоки питания и трансформаторы, которые мы предоставляем, гарантируют счастливого пользователя.

Сегодня днем я играл в Minecraft на своем ноутбуке ASUS. Как известно многим игрокам Minecraft, игра написана на Java, что при высоких настройках может вызвать довольно высокую нагрузку на процессор компьютера. После двух часов игры на моем ноутбуке выскочило уведомление «[переключено] в режим батареи». Убедитесь, что блок питания все еще находится в ноутбуке, все еще в стене, однако на силовом трансформаторе нет зеленого светодиода «питание». Поднимите трансформатор, и он безумно горячий на ощупь, из-за чего пол под ним будет очень теплым. Я предполагаю, что на источнике питания есть какой-то температурный предохранитель, чтобы он не загорелся, но что делать с раскаленным силовым трансформатором? Раньше со мной такого никогда не случалось (что неудивительно), и с тех пор, как я отключил его от стены и ноутбука, я просто оставил его остывать. Я не использовал его с тех пор, поэтому он был жареным? Сам ноутбук работает нормально (использую его сейчас). Я все равно подумывал о замене блока питания, но есть ли «лучший» способ охладить его, на всякий случай?

Конечно, это, вероятно, не произойдет со многими людьми (и теперь я буду знать, что нужно играть с большим количеством перерывов и, возможно, вместо этого на моем рабочем столе), но все же. для науки?

Возьмите пластиковую или металлическую миску (может быть, из кухни?) с достаточно плоским дном, наполните ее водой и поставьте на верхнюю часть адаптера. Стеклянные или, думаю, пластиковые не подойдут, потому что плохо проводят тепло. Вы также можете взять большой кусок металлической фольги и положить его под адаптер, чтобы обе стороны охладились. Предупреждение. Не наливайте слишком много воды, так как чаша может опрокинуться.

Я бы просто положил ручку под каждый конец блока питания. Просто поднять его с пола должно очень помочь.

Мой блок питания Dell делает это постоянно на моем Alienware. У меня есть m11x, поэтому я могу поставить его на охлаждающий коврик рядом с ноутбуком. Мое предложение состояло бы в том, чтобы получить кулер для ноутбука, который больше, чем ваш ноутбук, а затем положить адаптер рядом с вашим ноутбуком. Это также может зависеть от размера вашего шнура от адаптера до стены, я знаю, что Dell продает их до 12 футов, что хорошо или для этой цели.

Это старый пост, и многие люди предлагали способы сделать то, о чем просили. Поймите, однако, что то, что становится горячим, имеет много изоляционного материала между собой и снаружи — пластиковая оболочка, воздух, детали могут быть залиты пластиком и т. д. Если компоненты действительно перегреваются, все, что вы делаете, охлаждает их. снаружи будет слишком мало, слишком поздно, чтобы оказать реальное влияние на компоненты, которые перегреваются. Так что на самом деле это не помогает и может скрыть реальную проблему или даже создать опасность.

8 ответов 8

Безусловно, лучшее, что вы можете сделать, это позволить блоку питания остыть естественным путем, не пытайтесь охладить его быстрее, так как это может привести к повреждению (если он еще не поврежден). Дайте ему полностью остыть, прежде чем пытаться использовать его снова, и следите за своим ноутбуком и блоком питания при первом использовании на случай его повреждения.

Просто любопытно, так как я никогда не слышал, что быстрое охлаждение может повредить оборудование (кроме погружения в жидкий азот или что-то еще, где он становится очень хрупким) может повредить что угодно, можете ли вы получить это?

Мой источник основан главным образом на опыте, хотя с точки зрения электронного оборудования дифференциальное охлаждение было бы основной проблемой при любом способе быстрого охлаждения, что может привести, среди прочего, к растрескиванию паяных соединений и разрыву электролитических конденсаторов (хотя в данном случае все равно скорее всего). Естественное охлаждение современного силового блока должно снизить, но не устранить вероятность возникновения проблем, вызванных дифференциальным охлаждением.

Почему адаптеры питания не имеют вентиляции для охлаждения? Буквально полностью закрытый черный ящик. Это означает, что в конечном итоге он перегреется. Не может быть хорошего дизайна.

Поднимите его над полом, как было предложено, и установите на нем настольный вентилятор и/или приобретите блок большей мощности.

Это довольно старый вопрос, но у меня есть довольно уникальное решение. Купите хороший вентилятор для ноутбука только для блока питания, он не будет обеспечивать настолько сильное охлаждение, что может привести к повреждению, но будет поддерживать его работу при разумной температуре. У меня есть как игровой ноутбук ASUS ROG, так и Alienware. Оба блока питания имеют проблемы с нагревом.

Лично я использую корпусной вентилятор, прислоненный под углом к стене, и я сделал опору, чтобы блок питания прижимался к вентилятору. Это сохраняет прохладу.

Прикрепленное изображение представляет собой более старую установку, в которой я использовал размер кабеля питания, чтобы удерживать его на вентиляторе! (также у блока питания есть ножки, которые входят в выемки вентилятора

Я придумал, как охлаждать блок питания.

У меня есть ноутбук Alienware m17xr3, блок питания которого сильно нагревается, особенно при разгоне. Он просто потребляет больше энергии из источника, чем раньше. Теперь, когда я разблокировал BIOS и стал сильнее нагружать ЦП и ГП, что, в свою очередь, потребляет больше энергии, ЦП поднялся со штатных 2,4 ГГц до 3,7 ГГц, что, похоже, не вызывает проблем.

Сделав очень стабильную температуру, без реального увеличения по сравнению со стандартной, я отрегулировал синхронизацию вентиляторов, чтобы они включались раньше, но общая температура никогда не превышает 80 градусов Цельсия. Основная проблема заключалась в том, что блок питания стал настолько горячим, что до него нельзя было дотронуться.

Я решил эту проблему, вырезав прямоугольное целое в верхней части пластика на моем блоке питания и прикрепив 2 старых радиатора процессора с вентиляторами, все еще прикрепленными к металлической пластине. Внутри блока питания немного пасты для радиатора и старый адаптер питания на 12 В для питания вентиляторов.

Теперь температура никогда не поднимается выше 20 градусов Цельсия.

Если он горячий на ощупь, но не настолько горячий, чтобы обжечь вас (это означает, что вам неудобно его держать), скорее всего, все в порядке. Имейте в виду, что такие температуры, как 100 градусов по Фаренгейту, считаются относительно низкими для электронных компонентов. Однако, если он настолько горячий, что вы не можете прикоснуться к нему, вероятно, произошло короткое замыкание, и его необходимо НЕМЕДЛЕННО ЗАМЕНИТЬ ИЛИ ПОЖАРИТЬ. Меньше сопротивления, больше индуктивности, больше тепла или что-то в этом роде.

Очень похожее решение, такое как "Прошедшее время".

Я вспомнил, что получил ответ, похожий на картинку, когда прочитал Пропущенный ответ. Спасибо!

P.S. Чтобы увеличить время восстановления, попробуйте метод Л. Серни ниже в разделе комментариев. Не обращайте на это внимания: я не пробовал, но для увеличения времени восстановления вы можете обернуть адаптер питания алюминиевой фольгой (жестяной фольгой). Я думаю, что вы должны плотно завернуть его с помощью термопасты. Таким образом, практически каждая поверхность фольги должна соприкасаться с блоком питания. Таким образом, адаптер для ноутбука может передавать свое тепло алюминию.

ВНИМАНИЕ! Если упаковка не прочная; вы вызываете перегрев блока питания из-за блокировки воздушного потока и очень горячего воздуха между фольгой и поверхностью адаптера. Поэтому вам нужно попробовать небольшой кусочек алюминиевой фольги, нанеся его на переходник с пастой. если термопаста, предназначенная для процессоров, приклеит фольгу к поверхности блока питания и будет держать ее приклеенной очень долго, проблем не будет.

Завершите упаковку, не разрезая фольгу. Там должна быть дополнительная фольга, длина которой равна диаметру вашего вентилятора. Направьте свой вентилятор на эту дополнительную фольгу, и это ДОЛЖНО произойти: блок питания будет передавать тепло фольге.Поток воздуха от вентилятора будет быстрее охлаждать блок питания, потому что больший поток воздуха будет соприкасаться с большей нагретой поверхностью.

Я знаю множество "если", но, возможно, у кого-то есть и время, и любопытство.

Мощные трансформаторы являются базовыми элементами систем электроснабжения. Они переключают переменное напряжение между различными уровнями напряжения, что делает их необходимыми для производства, передачи или распределения электроэнергии на электростанциях, в промышленных предприятиях и на электрических подстанциях. Мощные трансформаторы устанавливаются на открытом воздухе.

Там им приходится сопротивляться ветру и погоде – и влаге тропических лесов, и соленым брызгам на побережье, и палящей жаре в пустынных районах, и ледяному холоду на полюсах.

Вентиляторы, используемые в системах охлаждения, должны быть такими же прочными. Востребована надежная техника, которая надежно работает и не требует обслуживания.

Каждый раз, когда трансформатор выходит из строя, это имеет фатальные последствия, поскольку подача электроэнергии больше не может быть гарантирована.

Трансформаторы выделяют отработанное тепло, когда они работают, и масло является предпочтительным хладагентом. Он передает тепло за счет конвекции (или при поддержке насосных систем) к корпусу трансформатора, который снаружи имеет охлаждающие ребра или радиаторы, аналогичные теплообменникам. Большие мощные трансформаторы требуют дополнительного охлаждения: вентиляторы, которые предотвращают повреждение от перегрева, несмотря на то, что охлаждающие поверхности максимально компактны.

Вентиляторы должны удовлетворять особым требованиям, чтобы выдерживать суровые условия эксплуатации на открытом воздухе.

Недостаточно, чтобы вентиляторы поддерживали требуемую производительность воздуха. Не менее важны такие свойства, как коррозионная стойкость даже при высокой влажности, не требующая технического обслуживания работа без смазки и надежная работа в течение максимально возможного срока службы. А когда нагрузки колеблются, также полезно, когда мощность охлаждения может регулироваться в соответствии с фактической потребностью.

Не всегда имеет смысл выключать отдельные вентиляторы, когда трансформатор находится в режиме частичной нагрузки, поскольку в этом состоянии на теплообменнике могут возникать неохлаждаемые «горячие точки». Если вентиляторы работают максимально эффективно, с годами пользователи могут сэкономить значительные суммы денег и энергии, которые они могут подавать в электросеть. Это приводит к положительной экономической выгоде для энергетических операторов. Если трансформаторы находятся рядом или даже в жилых районах, создаваемый ими шум также играет роль, которую нельзя недооценивать.

Компания ebm-papst, специализирующаяся на двигателях и вентиляторах, решила эту проблему, разработав специальные вентиляторы-трансформеры. Они удовлетворяют всем требованиям к сложному охлаждению крупных трансформаторов согласно DIN EN 50216-12 и выпускаются размером от 500 мм до 1250 мм с производительностью по воздуху до 13 м³/с. Они также удовлетворяют требованиям в отношении длительного срока службы и устойчивости к соляному туману (класс защиты от коррозии C5M согласно DIN EN ISO 12944), поэтому вентиляторы подходят для использования в прибрежных зонах с высоким содержанием соли.

Корпус вентилятора повышает эффективность вентилятора

Все компоненты модулей, совместимых с plug & play, — корпус вентилятора, крыльчатка HyBlade, ЕС-двигатель GreenTech со встроенной электроникой или асинхронный двигатель переменного тока и защитная решетка на стороне всасывания — идеально согласованы друг с другом.

Например, аэродинамическая оптимизация снижает как турбулентность воздуха, так и рабочий шум. Два типа двигателей соответствуют требованиям действующей Директивы по экодизайну.

Крыльчатка имеет идеальную с аэродинамической точки зрения форму, основанную на сочетании алюминиевой рамы с покрытием из армированного стекловолокном пластика. Это значительно снижает производимый им шум и обеспечивает более высокую эффективность по сравнению с традиционными лезвиями.

Опора двигателя, которая также имеет функцию защиты от прикосновения, установлена со стороны впуска. На стороне выхода в качестве аксессуара также доступна защитная решетка. Защитная решетка и корпус вентилятора изготовлены из горячеоцинкованной листовой стали с дополнительным покрытием.

На выпускной стороне также имеется встроенный кольцевой фланец для прямого крепления к радиатору.

Особенно когда вентиляторы работают со свободным воздухом (как обычно в случае трансформаторов с масляным охлаждением), положительный эффект от этого типа кожуха вентилятора превосходен. Он сводит турбулентность воздуха к минимуму, увеличивая скорость воздушного потока и, следовательно, эффективность вентилятора.

Управление скоростью для охлаждения в зависимости от потребностей

Компании, которые полагаются на проверенную технологию GreenTech EC, делают еще один шаг в направлении энергоэффективности.

Двигатели EC в основном представляют собой синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов. В них ротор со встроенными постоянными магнитами синхронно следует за вращающимся полем статора, которое создается электронным способом.

Управляющая электроника обеспечивает бесступенчатую регулировку производительности по воздуху (линейно скорости вентилятора), которая отклоняется от частоты, синхронизированной с сетью, в режиме частичной нагрузки практически с таким же высоким уровнем эффективности. Управление скоростью без обратной связи может быть задано либо аналоговым через 0-10 VDE (например, датчик температуры или давления масла), либо цифровым с сигналом PWM или Modbus. При использовании Modbus несколько вентиляторов можно удобно соединить между собой.

Это облегчает использование функций диагностики и мониторинга, что в конечном итоге способствует надежной работе. Такая настройка означает, что вся система может эксплуатироваться более экономично и положительно влияет на стоимость жизненного цикла.

Чтобы предотвратить перегрев теплообменника после отключения отдельных вентиляторов, компания ebm-papst рекомендует использовать все вентиляторы в режиме частичной нагрузки. Следствием является более равномерный поток через радиатор. Положительным побочным эффектом является то, что двигатель не так сильно нагревается, что продлевает срок службы вентилятора.

Другим аспектом работы с частичной нагрузкой является значительное снижение энергопотребления и рабочего шума благодаря законам физики.

Потребляемая электрическая мощность пропорциональна скорости вращения вентилятора в третьей степени (Pe ~ n³). В результате она составляет всего 12,5 %, когда скорость и, в свою очередь, воздушные характеристики снижаются на 50 %. Логарифмически это снижает уровень шума на 15 дБ.

Работа с частичной нагрузкой не только экономит энергию и снижает эксплуатационные расходы, но и приводит к меньшему количеству отработанного тепла. Это особенно ценно для систем охлаждения, поскольку тепло, которое не вырабатывается, не нужно рассеивать.

Коммутация и конструкция статора также обеспечивают очень плавную работу. Частоты циклов акустически незаметны, а шумоподавление падает. Это делает эти «невидимые вентиляторы» идеальными для приложений, в которых необходимо соблюдать правила защиты от шума.

Простой ввод в эксплуатацию

Практически ориентированные детали конструкции упрощают ввод в эксплуатацию вентилятора трансформатора.

Например, можно установить и смонтировать непосредственно на корпусе вентилятора с горизонтальным или вертикальным монтажным положением по мере необходимости.

Коробка клемм двигателя для подключения питания и управления легкодоступна и изолирована от электроники двигателя. Команда разработчиков всегда использовала высококачественные терминалы.

Вентиляторы идеально подходят для использования во всем мире. Они работают от источников питания от 200–240 В до 380–480 В (для 3-фазной сети с частотой 50 Гц и 60 Гц), соответствуют всем соответствующим стандартам (UL, CSA, EAC и CCC) и требованиям степени защиты IP55, а также паспортная табличка соответствует стандарту DIN EN 50216-12.

Повышение производительности и интеграция электронных компонентов не только позволили расширить функциональные возможности оборудования, но и часто обеспечивают это при все меньшем и меньшем форм-факторе. С этой тенденцией связано ожидание того, что блоки питания также станут более компактными. Первоначально этот спрос был удовлетворен за счет внедрения технологии переключения режимов, но продолжающаяся тенденция привела к увеличению удельной мощности. Частью решения этой проблемы является использование более высоких частот переключения и более эффективных конструкций. Однако неизбежным выводом является то, что всегда будет потребность в эффективном управлении температурой в силовой электронике.

Чтобы оценить это, нам сначала нужно понять внутреннюю эффективность преобразования конструкции источника питания и то, как лучше всего справиться с результирующими потерями, рассеиваемыми в виде тепла. Ключевым моментом является обеспечение того, чтобы как источник питания, так и питаемое им оборудование продолжали надежно работать в номинальном диапазоне температур. И хотя эффективность с точки зрения как электрического, так и теплового управления, безусловно, важна, безотказная работа в отношении надежности продукта является абсолютной необходимостью. Таким образом, проектирование для смягчения потенциальных отказов, вызванных тепловым напряжением, имеет жизненно важное значение. В этом документе сначала будут рассмотрены основы того, как эффективное рассеивание тепла связано с производительностью источника питания и как тепловая нагрузка влияет на надежность, а затем более подробно рассмотрена эволюция методов улучшения управления температурным режимом.

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ И ПРОБЛЕМА ОТВОДА ТЕПЛА

Потребляемая мощность = выходная мощность + рассеиваемая мощность в виде тепла

КПД (η) = выходная мощность / потребляемая мощность

Следовательно, зная КПД данной конструкции источника питания и требуемую выходную мощность, мы можем рассчитать эти потери мощности или мощность, которая должна рассеиваться в виде тепла, как:

Рассеиваемая мощность = выходная мощность x [(1/η) - 1]

Этот расчет необходимо выполнить для наихудших условий нагрузки, т. е. для максимальной ожидаемой мощности нагрузки. Ясно, что более высокая эффективность означает меньшее количество тепла, которое необходимо рассеивать, что упрощает проблему удаления этого тепла из источника.Тем не менее, надлежащее управление температурным режимом по-прежнему имеет жизненно важное значение и может иметь прямое влияние на производительность источника питания. Например, электронные схемы часто работают более эффективно при более низких температурах и, в свою очередь, имеют тенденцию рассеивать меньше энергии в виде потерь тепла. Прирост эффективности, который можно получить за счет эффективного охлаждения, значительно возрастает по мере увеличения выходной мощности всей системы. Эксплуатация при более высоких температурах также может влиять на надежность, и системы, которые работают при более низком охлаждении, будут иметь меньшую вероятность отказа в течение заданного времени, как более подробно объяснено в разделе 2. Эти факторы делают важным рассмотрение всех возможностей при рассмотрении вариантов охлаждения. для конструкций блоков питания.

Существует три основных механизма отвода тепла от электронных компонентов, таких как блоки питания:

Радиация

Излучение посредством электромагнитного излучения является одним из способов передачи тепла между элементами при разных температурах, поэтому трансформатор может излучать тепло в окружающий корпус источника питания. Расчет лучистой теплопередачи сложен и зависит от многих факторов, таких как расстояние между элементами, цвет и отделка поверхностей, а не только перепад температур. Вдобавок к этому, и, возможно, к счастью, эта форма потери тепла редко является основным средством рассеяния.

Проведение

Теплопроводность — это передача тепла при контакте с другим твердым материалом. Металлы, как правило, являются хорошими проводниками тепла. При нагревании электроны в структуре металла отделяются от своих атомов, заставляя ионы колебаться с кинетической энергией, которая тем больше, чем горячее металл. Эта кинетическая энергия передается от более горячих к более холодным частям металла потоком электронов, которые сталкиваются с ионами по мере их движения, пока они не будут снова захвачены, когда они потеряют достаточно энергии. Скорость теплового потока зависит от перепада температур, или градиента, и теплопроводности материала.

В блоке питания тепло легко передается от такого компонента, как резистор, через печатную плату (PCB) с высоким содержанием меди к металлическому корпусу блока питания. Дальнейшая проводимость через главную плату печатной платы оборудования или шасси системы также может отводить тепло от источника питания, хотя традиционно это считалось менее эффективным, чем конвекционное охлаждение, которое будет рассмотрено в следующем разделе.

Расчет теплопередачи для кондуктивного охлаждения обычно выражается с точки зрения теплового сопротивления, а не теплопроводности, которая является обратной величиной. Термическое сопротивление, измеряемое в °C/Вт, определяется как:

ΔT – разница температур в °C.
Q – тепловой поток в ваттах.

Для обозначения теплового сопротивления между различными точками в системе могут использоваться разные номенклатуры, например. для силового транзистора сопротивление между полупроводниковым переходом, где выделяется тепло, и корпусом устройства может быть обозначено как θ_JC, а тепловое сопротивление от корпуса к окружающему воздуху будет равно θ< sub>CA. Суммарное термическое сопротивление путей кондуктивного и конвекционного теплового потока просто дает θ_JA = θ_JC + θ_CA. Включение радиатора также можно смоделировать, учитывая тепловое сопротивление любой теплопередающей прокладки (или термопасты), заменив тепловое сопротивление от радиатора к окружающей среде вместо корпуса к окружающей среде.

Конвекция

Конвекция определяется как передача тепла через жидкость, которая может быть жидкостью, но чаще воздухом. Если поток жидкости возникает в результате действия сил гравитации на жидкость при изменении ее плотности (т. Е. Поднимается теплый воздух), это называется естественной или свободной конвекцией. Однако если поток жидкости создается внешними средствами, такими как вентиляторы или воздуходувки, это называется принудительной конвекцией.

Следовательно, конвекция является одним из основных путей отвода тепла от источника питания, поскольку энергия передается от твердых компонентов системы к воздуху, когда он проходит мимо. Поскольку скорость рассеивания тепла пропорциональна скорости воздушного потока, принудительное воздушное охлаждение обеспечит более высокую степень охлаждения, чем свободная конвекция. Однако, несмотря на то, что принудительное воздушное охлаждение обеспечивает постоянный поток более холодного воздуха для отвода тепла от источника питания, оно приводит к возникновению акустического шума в системе и ее ближайшем окружении. Кроме того, вентиляторы увеличивают энергопотребление в системе и могут сократить общий срок службы приложения из-за добавления дополнительных механических частей, которые могут выйти из строя.

Рис. 1. В преобразователях постоянного тока серии VHK от CUI используется конструкция со встроенным радиатором, позволяющая оптимизировать тепловые характеристики

Эффективность охлаждения за счет конвекции можно повысить с помощью радиатора, использующего теплопроводность для увеличения площади поверхности устройства, находящегося в контакте с окружающим воздухом, как это делается в преобразователе постоянного тока серии VHK компании CUI, показанном на рисунке. 1. Чтобы максимизировать теплопроводность от компонентов, выделяющих тепло, к радиатору, рекомендуется использовать термопасту для заполнения любого пространства между охлаждаемыми устройствами, которые могут представлять собой полный преобразователь энергии, и поверхностью радиатора. Болты или хомуты, увеличивающие контактное давление, также помогают улучшить теплопередачу в радиатор.

Чтобы определить размер радиатора для данного приложения, необходимо знать, сколько тепла необходимо рассеять (тепловой поток Q, как определено ранее), максимальную температуру окружающей среды (T_A) и максимально допустимая температура корпуса или базовой платы (T_C) источника питания. Следовательно, требуемое тепловое сопротивление радиатора не должно превышать:

ТЕРМИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ВЛИЯЕТ НА НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Невозможно с точностью предсказать, как долго конкретный блок питания будет работать или через сколько часов он выйдет из строя. Однако стандартной практикой для электронных и механических компонентов и систем является использование вероятностного анализа для определения с разумной степенью достоверности ожидаемого срока службы или вероятности отказа. Интенсивность отказов компонента или системы обычно выражается в виде частоты, т.е. отказов в час и обычно обозначается символом λ.

Однако фактическая частота отказов обычно меняется в течение срока службы оборудования из-за факторов, которые можно отнести к «отказам на раннем этапе эксплуатации», «случайным отказам» или «отказам из-за износа». Суммарная характеристика, полученная в результате этого, обычно называется «кривой ванны», показанной на рис. 2.

Рисунок 2. Кривая частоты отказов в ванне в зависимости от времени для трех фаз жизненного цикла: младенческая смертность, срок полезного использования и износ.

Надежность источника питания зависит от множества факторов: надежной, консервативной конструкции с достаточным запасом прочности, качественных компонентов с подходящими характеристиками, тепловых соображений с необходимым снижением номинальных характеристик и последовательного производственного процесса. Надежность или вероятность того, что компонент не выйдет из строя до заданного времени, можно рассчитать по следующей формуле:

Источники стресса

Срок службы блока питания зависит от трех видов нагрузок: тепловых, механических и электрических. Из них термический стресс является наиболее сложным и коварным стрессом, потому что он проявляется очень многими способами. Как мы видели, источники питания по своей природе рассеивают тепло: источник мощностью 1000 Вт, работающий с замечательным КПД 90%, по-прежнему производит более 100 Вт тепла. Но не только собственное рассеяние источника питания заставляет источник работать при более высоких температурах. Большая часть энергии, которую блок питания обеспечивает электронику, в конечном итоге также рассеивается внутри корпуса (некоторые могут использоваться вне коробки для управления нагрузками, такими как двигатели), что увеличивает общую тепловую нагрузку и нагревание продукта. .

Термическое напряжение бывает двух видов: статическое и динамическое. Статическая термическая нагрузка означает работу при повышенных температурах, которые разрушают компоненты и их основные материалы. Объемные конденсаторы могут начать высыхать, или их пломбы могут выйти из строя; аналогичным образом может начать ухудшаться покрытие резисторов, а расширение разъема может привести к несоответствию контактов.

Динамическое термическое напряжение связано с циклами нагрева и охлаждения, которые возникают, когда выход питания переходит от полной нагрузки к низкой нагрузке или включается и выключается. Каждый раз, когда это происходит, структуры устройства и соединения расширяются и сужаются, позволяя развиваться микротрещинам из-за различных коэффициентов теплового расширения между материалами. Такое повторяющееся циклирование в конечном итоге приводит к прямым поломкам и сбоям. Однако трудно оценить ухудшение надежности продукта из-за динамической нагрузки, поскольку скорости нагрева и охлаждения этих циклов также влияют на их влияние.

Влияние температуры на срок службы компонентов

Температура использования оказывает значительное влияние на надежность, как показано на рис. 3. Этот эффект основан на химическом уравнении Аррениуса, которое обычно используется для моделирования ускорения физических процессов, зависящих от температуры, которые приводят к функциональному износу.

Уравнение Аррениуса

C_R — "Коэффициент скорости обработки".
M – экспериментально определенная константа, характерная для используемых материалов/методов.
e — число Эйлера (2,718281), основание натурального логарифма
E_a – энергия активации процессов, ведущих к отказу (обычно от 0,8 до 1,0 эВ).
k — постоянная Больцмана 8,617x10 -5 эвК -1
T — температура (°K), обычно при комнатной температуре (25°C/298°K).

Влияние заданного изменения температуры на предполагаемый срок службы компонента можно измерить с помощью небольшой модификации для расчета коэффициента ускорения:

T₁ – эталонная температура (например, 85 °C / 358 °K).
T₂ – фактическая рабочая температура.
М исключается, так как он одинаков при обеих температурах.

Если мы используем предполагаемое значение E_a, равное 1,0, для компонента, предназначенного для работы при температуре 85 °C, мы можем рассчитать влияние (1/A_R) на предполагаемый срок службы компонента.

Рисунок 3. Влияние температуры на прогнозируемый срок службы компонента для компонента, рассчитанного на работу при температуре 85 °C и энергии активации (E_a), равной 1,0

Эта таблица ясно показывает, что минимизация повышения температуры является самым прямым способом повышения надежности. Также важно избегать циклического изменения температуры, что требует тщательно спланированного управления температурным режимом с помощью одного или нескольких режимов охлаждения: конвекции, теплопроводности и излучения.

ПРАВИЛЬНЫЙ ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ОБЕСПЕЧИВАЕТ УЛУЧШЕНИЕ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ

Отвод тепла от источника питания может быть значительно улучшен за счет правильного выбора материалов и конструкции для его конструкции. Например, обеспечение эффективного охлаждения за счет теплопроводности через опорную плиту идеально подходит для систем, в которых активное охлаждение с помощью вентиляторов нежелательно; такие как профессиональные аудиосистемы, которые часто необходимо устанавливать в местах, где недопустим акустический шум, создаваемый электронным оборудованием. В других случаях корпус блока питания с соответствующей вентиляцией обеспечивает циркуляцию воздуха для естественного или принудительного конвекционного охлаждения.

При рассмотрении выбора источника питания для конструкции системы использование блоков с более высоким КПД или источников, которые будут работать ниже их полной номинальной нагрузки, может принести дивиденды. В первом случае блок питания мощностью 300 Вт, работающий при полной нагрузке с эффективностью 85 процентов, будет выделять 53 Вт тепла, тогда как источник с эффективностью 90 процентов будет терять на 20 Вт меньше мощности, преобразованной в тепло, что потенциально снижает или даже устраняет потребность в воздушном охлаждении. В общем, работа источника питания ниже полной нагрузки позволит ему работать при более высоких температурах окружающей среды, когда скорость, с которой тепло может отводиться от источника питания, снижается или когда системные требования делают невозможным обеспечение полной принудительной нагрузки. -воздушное охлаждение.

Рис. 4. Источник питания CUI VBM-360 имеет конструкцию как с базовой платой, так и с принудительным воздушным охлаждением

УЛУЧШЕНИЕ ОТВОДА ТЕПЛА С ПОМОЩЬЮ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА

В спецификациях блоков питания приведены кривые снижения номинальных характеристик, которые показывают, насколько необходимо снизить выходную мощность при заданном повышении температуры или снижении воздушного потока. Принудительное воздушное охлаждение имеет значительный эффект и позволяет блоку питания работать на полную мощность при более высоких температурах окружающей среды.

Как правило, требования к принудительному воздушному охлаждению выражаются в кубических футах в минуту (CFM) или в линейных футах в минуту (LFM). Например, кривая снижения мощности VBM-360 компании CUI, выделенная на рис. 4, которая имеет как базовую плиту, так и принудительное воздушное охлаждение, показывает, что увеличение воздушного потока до 10 кубических футов в минуту позволяет закрытой версии этого источника работать при 100 % полной нагрузки. при температуре окружающей среды 60°C, см. рис. 5. Это сравнимо со снижением номинальной мощности на 60% от полной нагрузки, когда такая же подача основана только на естественной конвекции. Обратите также внимание на то, что версия этого источника питания с открытой рамой достигает 100 % выходной мощности при полной нагрузке только при температуре до 50 °C, что свидетельствует о дополнительном влиянии механической конструкции источника питания на управление температурным режимом.

При проектировании принудительного воздушного охлаждения размер вентилятора должен соответствовать площади поперечного сечения блока питания внутри корпуса, чтобы обеспечить необходимую скорость прохождения воздуха над поверхностью компонентов. В общем, воздух должен быть направлен вдоль длинной оси блока питания. Тем не менее, еще одним соображением является расположение любых внутренних радиаторов. Ребра самого большого из радиаторов должны идти параллельно направлению воздушного потока. Кроме того, воздушный поток будет ограничен препятствиями, и часто внутри блоков питания установлено много больших и высоких компонентов, которые будут препятствовать воздушному потоку.Чтобы предотвратить повышение давления и снизить эффективность вентилятора, площадь выходного отверстия для воздуха должна быть как минимум на 50 % больше площади входного отверстия.

Рисунок 5: Кривая снижения мощности для закрытого блока питания CUI VBM-360 с принудительным воздушным потоком 10 кубических футов в минуту

Размер вентилятора может иметь смысл больше, чем необходимо, так как больший вентилятор может подавать больший объем охлаждающего воздуха, но с меньшей скоростью, чем меньший вентилятор. При более медленной работе вентилятор будет работать тише, что может иметь решающее значение в приложениях, где акустический шум является фактором, но теплопроводность или естественная конвекция не обеспечивают достаточного охлаждения.

Ориентация блока питания внутри системы также может влиять на эффективность охлаждения в зависимости от расположения внутренних компонентов. Поскольку горячий воздух имеет тенденцию подниматься вверх, вертикально установленный блок питания будет отдавать тепло другим компонентам, тогда как горячий воздух в горизонтальной конструкции будет легче выталкиваться к выходным вентиляционным отверстиям за счет конвекции или принудительного воздушного охлаждения.

Установление расхода воздуха (Q), который должен обеспечить вентилятор, будет зависеть от разницы температур (ΔT) между температурой окружающей среды и максимальной рабочей температурой приточного воздуха, а также от общей мощности (Вт), которая должна рассеиваться (которая может необходимо учитывать не только мощность, потерянную из-за неэффективности источника питания, но и тепло, рассеиваемое внутри электроники системы, если вентилятор используется для охлаждения всего оборудования).

ОБЗОР

Как мы уже видели, у разработчика системы есть несколько вариантов управления температурным режимом источника питания и окружающей системы. Несмотря на эффективность, принудительное воздушное охлаждение не всегда является идеальным выбором для разработчиков систем. Соотнося мощность источника питания с нагрузкой, выбирая конструкции с более высоким КПД или переходя на передовые продукты, использующие кондуктивное охлаждение, можно добиться высокой производительности с минимальным акустическим шумом или вообще без него за счет использования непринудительного воздушного охлаждения. В качестве альтернативы можно выбрать вентиляторы, которые сводят к минимуму уровень шума и обеспечивают тепловую совместимость в широком диапазоне температур окружающей среды.

Читайте также:

Температура, °C	Температура, °K	Коэффициент ускорения	Прогнозируемый срок службы
25	298	0,001473	67906%
45	318	0,01701	5878%
65	338	0,1471	679%
85	358	1	100%
105	378	5,550	18%< /td>
125	398	25,93	4%