Gestion thermique efficace des blocs d'alimentation dans les systèmes industriels et médicaux

Une gestion thermique efficace et rentable des blocs d'alimentation (PSU) est importante lors de la conception de systèmes industriels et médicaux afin de garantir leur fiabilité. La conception d'un système de gestion thermique efficace pour un bloc d'alimentation est une activité complexe, qui dépend en grande partie du type d'alimentation, à savoir à cadre ouvert ou en boîtier fermé.

Si une alimentation fermée est utilisée, le type de boîtier a un impact sur la circulation d'air et la dissipation thermique. Bien que les ventilateurs soient utiles, les concepteurs doivent tenir compte de leur fiabilité ainsi que de la contre-pression causée par les ventilateurs du système, qui peut considérablement réduire l'efficacité du ou des ventilateurs du bloc d'alimentation, augmentant ainsi potentiellement les températures de fonctionnement de ce dernier.

Les blocs d'alimentation ont souvent des rendements plus faibles en conditions de basse tension de ligne d'entrée. Par conséquent, les blocs qui fonctionnent pendant de longues périodes en conditions de basse tension de ligne d'entrée peuvent entraîner une dissipation thermique plus élevée et la nécessité d'un refroidissement supplémentaire. Enfin, les blocs d'alimentation requièrent souvent un détarage s'ils fonctionnent à hautes températures, comme c'est le cas dans les systèmes industriels et médicaux.

Pour accélérer la mise en œuvre de systèmes de gestion thermique efficaces, les concepteurs peuvent se tourner vers des blocs d'alimentation spécialement conçus pour une utilisation dans les applications industrielles et médicales, et offrant un choix d'options de gestion thermique.

Cet article passe en revue les défis de gestion thermique lors de la conception de systèmes industriels et médicaux, et fournit des conseils pour concevoir des solutions de gestion thermique efficaces. Il présente ensuite les options d'intégration des blocs d'alimentation dans les équipements industriels et médicaux en utilisant les blocs d'alimentation de Bel Power Solutions comme exemples concrets, et conclut par quelques étapes pratiques que les concepteurs peuvent suivre pour intégrer un bloc d'alimentation dans la conception thermique d'un système global.

Défis de gestion thermique des alimentations

Les défis de gestion thermique des blocs d'alimentation incluent la circulation d'air du système et l'impact que les ventilateurs du système peuvent avoir sur les performances des ventilateurs intégrés aux blocs d'alimentation, la température ambiante de fonctionnement, la demande de puissance de crête, et l'impact que la plage de tensions d'entrée peut avoir sur la dissipation de puissance. Il s'agit là de considérations de premier ordre ; cet article n'aborde pas les considérations de gestion thermique de second ordre liées aux systèmes de montage en rack ou aux environnements spéciaux tels que les data centers.

L'une des premières considérations est la direction du flux d'air du bloc d'alimentation ; un flux d'air normal crée une pression positive sortant du système et un flux d'air inverse crée une pression positive entrant dans le système (Figure 1).

Figure 1 : Dans un flux d'air normal, une pression positive sort du système (à gauche). Avec un flux d'air inverse, une pression positive entre dans le système (à droite). (Image : Bel Power Solutions)

Un ventilateur ne suffit pas

De nombreux blocs d'alimentation sont équipés d'un ventilateur. Un bloc d'alimentation avec un ventilateur peut compliquer la conception thermique au lieu de la simplifier, car il faut tenir compte de la direction du flux d'air ainsi que de l'impédance et de la pression du flux d'air du système ou du châssis. Les complications incluent les suivantes :

• Les ventilateurs du système peuvent entrer en concurrence avec les ventilateurs du bloc d'alimentation et en réduire l'efficacité, réduisant ainsi le flux d'air à travers le bloc d'alimentation.
• L'entrée du ventilateur du bloc d'alimentation peut présenter une haute impédance inattendue, réduisant le flux d'air à travers le bloc d'alimentation.
• Des câbles ou d'autres obstacles peuvent bloquer le flux d'air du bloc d'alimentation, réduisant ainsi l'efficacité des ventilateurs.

Les ventilateurs du système et du bloc d'alimentation peuvent interagir de plusieurs façons. Des exemples sont présentés dans la Figure 2 ci-dessous :

1. Le ou les ventilateurs du bloc d'alimentation produisent un flux d'air normal, mais les performances plus élevées du ou des ventilateurs du système entraînent une pression plus faible (négative) à l'intérieur du châssis, ce qui réduit l'efficacité du ventilateur du bloc d'alimentation.
2. Le ou les ventilateurs du bloc d'alimentation produisent un flux d'air inverse et les ventilateurs du système aident au refroidissement du bloc d'alimentation, et ne le contrecarrent pas. Cependant, si l'air entrant dans le bloc d'alimentation provient du plénum d'échappement du système, cela peut créer des problèmes, notamment une réduction du flux d'air net, ainsi que des problèmes de recirculation qui provoquent l'accumulation de chaleur dans le bloc d'alimentation.
3. L'entrée d'air du bloc d'alimentation est isolée du flux d'air du châssis principal, protégeant les ventilateurs du bloc d'alimentation contre les interférences du ou des ventilateurs du système. Pour un résultat optimal, le canal de circulation d'air du bloc d'alimentation doit présenter une faible résistance.

Figure 2 : La conception thermique doit tenir compte de la direction du flux d'air dans le bloc d'alimentation et des forces relatives des ventilateurs du bloc d'alimentation et du système. (Source de l'image : Bel Power Solutions)

Puissance de crête par rapport à la puissance nominale et détarage

Le détarage est souvent différent pour la puissance de crête par rapport à la puissance nominale. Les besoins en puissance de crête varient considérablement, de quelques millisecondes (ms) à 10 secondes ou plus, et il s'agit d'une considération importante dans de nombreux systèmes industriels et médicaux. Prenons l'exemple de deux séries d'alimentations de 600 watts (W) optimisées pour différentes puissances de crête : la série ABC601 d'alimentations CA/CC industrielles et médicales de Bel Power Solutions, qui est répertoriée pour 10 secondes de puissance de crête, et la série VPS600, qui est répertoriée pour 1 ms de puissance de crête.

La série ABC601 fournit jusqu'à 600 W de puissance de sortie régulée sur une plage de tensions d'entrée de 85 à 305 volts de courant alternatif (V_CA) avec des sorties simples de 24, 28, 36 ou 48 volts de courant continu (V_CC). Par exemple, l'ABC601-1T48 a une sortie de 48 V_CC. Ces blocs d'alimentation sont répertoriés pour une puissance continue de 600 W ou une puissance de crête pouvant atteindre 800 W pendant 10 secondes à une température maximum de 60°C pour les modèles fermés à ventilateur à montage frontal (Figure 3). Ils présentent une sortie de veille de 5 V_CC répertoriée pour 1,2 ampère (A) pour les modèles à châssis en U, et 1,5 A pour les modèles à ventilateur à montage frontal, et une sortie de ventilateur de 12 V, 1 A.

Figure 3 : Les modèles fermés à ventilateur à montage frontal série ABC601 fournissent 600 W de puissance continue (ligne rouge sur le graphique du haut) ou jusqu'à 800 W pendant 10 secondes (ligne rouge sur le graphique du bas) à une température maximum de 60°C. (Source de l'image : Bel Power Solutions)

La série ABC601 est disponible en deux versions : châssis en U ou boîtier fermé avec un ventilateur monté à l'avant (Figure 4). La série ABC601 est dotée d'un circuit interne de partage du courant permettant un fonctionnement en parallèle entre les blocs afin d'améliorer la puissance totale.

Figure 4 : Les alimentations ABC601 sont disponibles avec un refroidissement par ventilateur (en haut) ou par convection (en bas). (Source de l'image : Bel Power Solutions)

Les blocs d'alimentation à cadre ouvert série EOS Power VPS600 de Bel Power Solutions présentent une plage d'entrée plus étroite de 85 à 264 V_CA et délivrent jusqu'à 600 W de puissance de sortie continue et une puissance de crête de 720 W pendant 1 ms (Figure 5). Ces alimentations sont disponibles avec des tensions de sortie de 12, 15, 24, 30, 48 et 58 V_CC. Par exemple, le VPS600-1048 présente une sortie de 48 V_CC. Ces blocs incluent une sortie de veille de 5 V_CC, 500 milliampères (mA), et une sortie de ventilateur de 12 V, 500 mA. Alors que la série ABC601 est proposée en deux styles de boîtiers, la série VPS600 est disponible en trois versions avec des puissances nominales différentes : unités à châssis en U à refroidissement par convection répertoriées pour 600 W, unités à capot à fentes répertoriées pour 420 W et unités à capot plein répertoriées pour 360 W.

Figure 5 : La série VPS600 est disponible en trois configurations de boîtier avec des puissances nominales différentes : unités à châssis en U à refroidissement par convection de 600 W, unités à capot à fentes de 420 W et unités à capot plein de 360 W. (Source de l'image : Bel Power Solutions)

Les différentes options de tension de sortie et les différents styles de boîtier présentent des courbes de détarage différentes. Par exemple, le détarage pour les unités de sortie 24 V_CC est comme suit :

• Cadre ouvert
  • Charge de convection, 600 W en continu jusqu'à 30°C
• Capot à fentes
  • Charge de convection, 420 W en continu jusqu'à 30°C
• Capot plein
  • Charge de convection, 360 W en continu jusqu'à 30°C
• Pour tous les styles de capots
  • Détarage entre 30°C et 50°C de 0,833 % par °C
  • Détarage au-dessus de 50°C de 2,5 % par °C jusqu'à un maximum de 70°C

Effet de la tension d'entrée

Le rendement du bloc d'alimentation peut être réduit à des tensions d'entrée plus faibles, ce qui entraîne un détarage de la puissance de sortie nominale. Par exemple, les alimentations CA/CC séries ABE1200/MBE1200 fournissent 1200 W avec une entrée de 180 à 305 V_CA, et 1000 W avec une entrée de 85 à 180 V_CA (Figure 6). Ces valeurs nominales s'appliquent de 0°C à 60°C. A 70°C, ces séries présentent un détarage linéaire de 1200 W à 1100 W et de 1000 W à 900 W, respectivement.

Figure 6 : Les blocs d'alimentation ABE1200/MBE1200 fournissent 1200 W avec des tensions d'entrée de 180 à 305 V_CA et 1000 W avec des tensions d'entrée de 85 à 180 V_CA. (Source de l'image : Bel Power Solutions)

Ces blocs d'alimentation incluent un contrôle de la vitesse du ventilateur pour minimiser le bruit audible lorsqu'un flux d'air maximum n'est pas nécessaire. Ils sont disponibles dans trois boîtiers compatibles 1U, dont un modèle fermé avec deux ventilateurs (modèles 24 V_CC uniquement), et un châssis en U avec deux options de capot de protection (Figure 7).

Figure 7 : Les blocs d'alimentation ABE1200 sont disponibles avec deux ventilateurs (modèles 24 V_CC uniquement), et deux choix de capots de protection. (Source de l'image : Bel Power Solutions)

La différence DIN

Les blocs d'alimentation série LEN120 ont une puissance nominale de 120 W et sont conçus pour un montage sur rail DIN standard. Par exemple, le LEN120-12 délivre une sortie de 12 V_CC sur des plages de tensions d'entrée nominales de 90 à 264 V_CA (universel) ou de 127 à 370 V_CC (Figure 9). Pour le détarage des alimentations à rail DIN, les fiches techniques prennent souvent en compte simultanément les tensions d'entrée et de sortie, en plus de la température de fonctionnement. Pour la série LEN120 :

• Tous les modèles
  • De -20°C à -10°C, avec une entrée nominale de 115 V_CA, la puissance de sortie diminue de 2 %/°C
  • De -20°C à -10°C, avec une entrée nominale de 230 V_CA, aucun détarage n'est requis
  • De +40°C à +60°C, avec une entrée nominale de 115 V_CA, la puissance de sortie diminue de 2,5 %/°C
  • Pour les tensions d'entrée entre 115 et 264 V_CA et entre 162 et 370 V_CC, aucun détarage n'est requis
  • Pour les tensions d'entrée entre 115 et 90 V_CA et entre 162 et 127 V_CC (conditions de basse tension de ligne), la puissance de sortie diminue de 1 %/V
• Modèle LEN120-12 (sortie 12 V_CC)
  • De +45°C à +60°C, avec une entrée nominale de 230 V_CA, la puissance de sortie diminue de 3,33 %/°C
• Modèles LEN120-24 et LEN120-48 (sortie de 24 et 48 V_CC, respectivement)
  • De +50°C à +60°C, avec une entrée nominale de 230 V_CA, la puissance de sortie diminue de 5 %/°C

Figure 8 : Les blocs d'alimentation à rail DIN série LEN120 sont répertoriés à 120 W avec un refroidissement par convection. (Source de l'image : Bel Power Solutions)

Étapes pratiques pour de meilleures conceptions thermiques

Comme illustré, l'intégration d'un bloc d'alimentation dans un système implique des problèmes de conception thermique complexes. Il existe plusieurs étapes pratiques que les concepteurs peuvent suivre pour éviter les mauvaises surprises :

• Le fabricant du bloc d'alimentation peut fournir des informations détaillées sur la relation entre le flux d'air du ventilateur et la pression statique (courbe P-Q), permettant aux concepteurs de savoir à quel flux d'air s'attendre si le ventilateur du bloc d'alimentation fonctionne avec ou contre la contre-pression interne du système.
• Certains fabricants de blocs d'alimentation peuvent fournir les modèles thermiques FlowTHERM du bloc d'alimentation, qui peuvent être utilisés dans le modèle du système global pour évaluer les performances thermiques du bloc d'alimentation et identifier les problèmes potentiels.
• Demandez au fabricant du bloc d'alimentation d'examiner la conception thermique d'un système et de faire des recommandations pour une analyse plus approfondie, ou de confirmer la validité de la conception.

Conclusion

Il y a plusieurs points à prendre en compte lors de la conception d'un système de gestion thermique pour un bloc d'alimentation dans les applications médicales ou industrielles. Il s'agit notamment de la circulation d'air du système, de l'impact que les ventilateurs du système peuvent avoir sur les performances des ventilateurs intégrés au bloc d'alimentation, de la plage de températures de fonctionnement spécifiée, la demande de puissance de crête et de l'impact que la plage de tensions d'entrée peut avoir sur la dissipation de puissance.

Pour résoudre ces problèmes, les concepteurs peuvent se tourner vers les blocs d'alimentation de Bel Power Solutions qui sont optimisés pour différents environnements thermiques et scénarios d'application. De plus, les fabricants de blocs d'alimentation proposent des outils de gestion thermique pouvant contribuer à accélérer le processus de conception.

Lecture recommandée

1. Sélectionner un ventilateur