Рекомендации по установке внутренних источников питания (Часть 2)
Тепловые последствия
Тепловыделение — главный негативный фактор преобразователя энергии. При высоких рабочих температурах может произойти перегрев и выход из строя полупроводников. Температура компонентов может превысить допустимую действующими стандартами безопасности, а срок службы устройства может быстро сократиться в следствии ускорения химических процессов (особенно в электролитических конденсаторах). Еще больше усложняет этот вопрос тот факт, что источники питания выделяют тепло как побочный продукт даже при нормальной работе. Тепло, выделяемое источником питания, связано с его эксплуатационным КПД согласно уравнению 1.
Где Qd — рассеиваемое тепло в ваттах, POUT — выходная мощность в ваттах, а η — КПД. POUT и η представлены в уравнении 1 с одинаковыми нижними индексами, чтобы подчеркнуть тот факт, что эффективность работы зависит от выходной (O) мощности, а не просто какое-то фиксированное значение.
Если 100% тепла, выделяемого компонентом, передается в окружающую среду (что указывает на гипотетический переход к тепловому импедансу окружающей среды, равному 0°C/Вт), температура этого компонента не будет повышаться. С другой стороны, если существует несоответствие между генерируемым и передаваемым теплом, температура устройства будет повышаться в соответствии с его тепловым сопротивлением. Внутренний источник питания должен быть установлен таким образом, чтобы он мог передавать свое тепло окружающей среде.
Большинство стандартных внутренних блоков питания спроектированы так, чтобы способствовать передаче тепла посредством конвекции, естественной или принудительной. Некоторые внутренние блоки питания могут также иметь пути отвода тепла от устройства за счет контакта с каким-либо внешним радиатором. При установке блока питания важно учитывать указанные производителем блока питания требования к охлаждению. Для приложений с более чем очень низким энергопотреблением (около 50 Вт или меньше) следует позаботиться о том, чтобы обеспечить по крайней мере путь для прохождения воздуха через силовой преобразователь.
Если блок питания рассчитан на подачу определенного количества энергии в условиях естественной конвекции, подразумевается, что существуют средства, позволяющие этой естественной конвекции происходить в окончательной сборке под влиянием температурных градиентов. Должны быть доступны вентиляционные отверстия и некоторое количество свободного пространства, чтобы воздух мог естественным образом циркулировать вокруг теплых компонентов блока питания, отводя от них тепло.
С увеличением мощности естественной конвекции часто становится недостаточно для отвода тепла от чувствительных компонентов блока питания. В этом случае требуется принудительное воздушное охлаждение. Принудительное воздушное охлаждение включает в себя использование вентилятора для проталкивания больших объемов воздуха снаружи корпуса через горячие компоненты блока питания в единицу времени. Чем больше воздуха проходит через эти компоненты, тем больше тепла можно отвести. Если требуется принудительное воздушное охлаждение, производитель блока питания должен указать объем в единицу времени и направление потока, необходимые для достижения оптимальной эффективности охлаждения.
В некоторых приложениях принудительное воздушное охлаждение не может быть применено из-за проблем со слышимым шумом или отсутствием достаточной вентиляции. В этих случаях необходимо предусмотреть путь передачи тепла от чувствительных компонентов блока питания во внешнюю среду.
Интересно, что физическая ориентация источника питания относительно силы земного притяжения иногда может иметь большое значение для теплового режима. Горячий воздух поднимается вверх, заменяясь более плотным холодным воздухом в цикле конвекции. Иногда неправильно ориентированный источник питания может способствовать движению горячего воздуха к более чувствительным к теплу компонентам конструкции. Рассмотрим случай, когда основной переключающий транзистор источника питания (источник тепла) находится рядом с электролитическим конденсатором (чувствительным к теплу). По возможности следует избегать расположения источника питания таким образом, чтобы электролитический конденсатор был физически над транзистором (рис. 3).
Рис. 3. На этом рисунке показано влияние физической ориентации на теплообмен естественной конвекции.
Аналогичным образом следует оценить близость и относительную ориентацию тепловыделяющих и теплочувствительных узлов внутри корпуса.
Электромагнитная совместимость
Сертификация EMC может представлять собой проблему для любой системной интеграции, независимо от того, является ли блок питания внутренним или внешним. Несмотря на то, что производители блоков питания прилагают все усилия, чтобы получить как можно более низкие выбросы, чтобы не вызывать сбои системы, OEM-производителям по-прежнему важно понимать, что наличие соответствующего блока питания не всегда гарантирует соответствие на системном уровне. Это особенно актуально для внутренних источников питания, где решения по установке могут сильно повлиять на профили излучаемых и кондуктивных помех конечной системы. К частым ошибкам относятся неправильное функциональное заземления.
Заземление полезно не только для отвода токов короткого замыкания. Заземление также является отличным способом отвода нежелательной высокочастотной (ВЧ) энергии, когда желаемые/предполагаемые токи входят и выходят из блока питания. Если высокочастотные помехи от переключающих элементов попадают на входные и/или выходные провода, они могут нанести ущерб профилям как излучаемых, так и кондуктивных помех. В связи с этим в большинстве конструкций блоков питания предусмотрены пути переменного тока с низким импедансом к земле для высокочастотных токов как от входных, так и от выходных проводников. Правильная реализация этих путей является критическим фактором при установке блока питания.
С целью уменьшения ВЧ помех желательно обеспечить емкостную связь на выходе ИП на вторичной стороне преобразователя, чтобы шунтировать ВЧ-помехи на землю, как показано на рис. 4.
Рис. 4. Монтажные отверстия на вторичной стороне преобразователя имеют емкостную связь с DC+, чтобы шунтировать ВЧ-помехи на землю.
На рисунке 4 пользователь должен обеспечить соединение, обозначенное пунктирными линиями. Если это не достигается за счет использования токопроводящего монтажного оборудования, заземляющий провод необходимо будет протянуть вручную к каждому применимому монтажному отверстию. В противном случае шунтирующие пути окажутся разомкнутыми, и ВЧ-энергии некуда будет деваться, кроме как через выходной жгут проводов.
Даже если шунтирующие пути с обеих сторон преобразователя действительно правильно подключены, некоторое количество ВЧ-энергии все равно будет выходить на проводку ввода/вывода. При необходимости фильтрацию можно улучшить, добавив в жгуты проводов синфазную индуктивность. В любом случае следует позаботиться о том, чтобы линии ввода-вывода были как можно короче, а также избегать прокладки проводов ввода-вывода рядом с компонентами, которые могут излучать электромагнитную энергию.
Источник: www.edn.com