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효율적인 전원 공급 장치 열 관리를 설계하는 방법

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글/Jeff Shepard, Digi-Key

산업용 및 의료용 시스템을 설계할 때 전원 공급 장치(PSU)의 효과적이고 비용 효율적인 열 관리는 이에 대한 신뢰성을 보장하기 위해 중요하다. 그러나 PSU를 위한 효과적인 열 관리 시스템을 설계하는 일은 복잡한 작업이며, PSU가 밀폐형인지 개방형 프레임인지에 따라 크게 좌우된다.

밀폐된 PSU를 사용하는 경우, 인클로저 유형은 기류 및 열 방출에 영향을 미친다. 팬이 도움이 되기는 하지만, 설계자는 팬의 신뢰성뿐만 아니라 PSU 팬의 효율성을 크게 감소시켜 잠재적으로는 PSU 작동 온도를 증가시킬 수 있는 시스템 팬으로 인한 배압도 함께 고려해야 한다.

PSU는 보통 낮은 입력 선간 전압 조건에서 효율성이 더 낮다. 결과적으로, 낮은 입력 선간 조건에서 오랜 기간 작동되는 장치는 더 많은 열 방출과 추가적인 냉각이 필요할 수 있다. 마지막으로, PSU는 산업용 및 의료용 시스템에서 발생 가능한 상승된 온도에서 작동하는 경우, 부하 경감이 필요한 경우가 종종 있다.

설계자는 효율적인 열 관리 시스템의 구현 속도를 높이기 위해, 다양한 열 관리 옵션을 제공하며 산업용 및 의료용 응용 제품에서 사용하도록 특별하게 설계된 PSU를 사용할 수 있다.

이 기사에서는 산업용 및 의료용 시스템을 설계할 때 열 관리 해결 과제를 검토하고 효율적인 열 관리 솔루션을 설계하기 위한 지침을 제공한다. 그런 다음 실생활에서 사용되는 사례로 Bel Power Solutions의 PSU를 사용하여 PSU를 산업용 및 의료용 장비에 통합할 때의 옵션을 제시하고, PSU를 전체 시스템 열 관리 설계에 통합 설계할 때 설계자가 실천할 수 있는 몇 가지 실용적인 단계를 제시하며 마무리한다.

전원 공급 장치 열 관리 시 해결 과제

PSU 열 관리 시 해결 과제는 시스템의 기류 및 시스템 팬이 PSU에 통합된 모든 팬의 성능에 미칠 수 있는 영향, 주위의 작동 온도, 순간 최대 전력 공급량의 필요성 그리고 입력 전압 범위가 소비 전력에 미칠 수 있는 영향을 포함하고 있다. 여기에서 다룰 내용들은 1차 고려 사항이다. 이 기사에서는 랙 실장 시스템 또는 데이터 센터와 같은 특수 환경과 관련된 2차 열 관리 고려 사항에 대해서는 다루지 않는다.

첫 번째로 고려해야 할 사항 중 하나는 PSU 기류의 방향이다. 정상 기류는 시스템에서 나가는 양압을 생성하고 역 기류는 시스템으로 유입되는 양압을 생성한다(그림 1).

[그림 1] 정상적인 기류에서는 양압이 시스템에서 빠져서 나간다(왼쪽). 기류가 역방향일 때, 양압이 시스템에 유입된다(오른쪽). (이미지: Bel Power Solutions)

팬으로 충분하지 않음

많은 PSU에는 냉각용 팬이 포함되어 있다. 팬이 있는 PSU는 기류의 방향 외에도 시스템 또는 섀시 기류 임피던스 및 압력을 고려해야 하므로 열관리 설계를 단순화하기보다는 복잡하게 할 수 있다. 복잡성은 다음과 같다.

• 시스템 팬은 PSU 팬과 경쟁하여 그 효율성을 감소시켜 PSU를 통한 기류를 줄인다.

• PSU 팬의 입구는 예기치 않게 높은 임피던스를 가지므로 PSU를 통한 기류가 감소할 수 있다.

• 케이블 또는 기타 장애물은 PSU 기류를 차단하여 팬의 효율성을 감소시킬 수 있다.

• 시스템과 PSU 팬이 상호 작용할 수 있는 여러 가지 방법이 있다. 그 예시는 하단의 그림 2에 있다.

[그림 2] 열관리 설계는 PSU 내의 기류의 방향과 PSU 및 시스템 팬의 상대적 강도를 고려해야 한다. (이미지 출처: Bel Power Solutions)

PSU 팬은 정상적인 기류를 생성하지만, 시스템 팬의 성능이 높을수록 섀시 내부의 압력(음압)이 낮아져 그 결과 PSU 팬의 효율성은 감소한다.

PSU 팬은 역방향 기류를 생성하며, 시스템 팬은 PSU 냉각을 방해하지 않고 도움을 준다. 하지만, PSU에 유입되는 공기가 시스템 배기 플레넘에서 나오는 경우, PSU에 열이 축적되는 재순환 문제뿐 아니라 기류 순감소를 포함한 문제가 발생할 수 있다.

PSU로의 공기 유입구는 메인 섀시 기류로부터 격리되어 시스템 팬의 간섭으로부터 PSU 팬을 보호한다. 최대의 이점을 실현하기 위해서는, PSU의 기류 채널의 저항이 낮아야 한다.

순간 최대 전력과 공칭 전력 간의 정격 및 부하 경감 비교

부하 경감은 보통 순간 최대 전력과 공칭 전력의 경우에 다르다. 순간 최대 전력 요구 사항은 몇 밀리초(ms)에서 최대 10초 이상까지 넓게 변동되고, 이는 많은 산업용 및 의료용 시스템에서 중요하게 고려되는 사항이다. 서로 다른 순간 최대 전력 공급에 최적화된 두 개의 600W PSU 계열을 살펴보겠다. Bel Power Solutions에서 제공하는 산업용 및 의료용 AC-DC 전원 공급 장치 ABC601 계열(순간 최대 전력 공급 10초 정격)과 VPS600 계열(순간 최대 전력 1ms 정격)이다.

ABC601 계열은 24V, 28V, 36V 또는 48V 직류(VDC)의 단일 출력에서 85V ~ 305V 교류(VAC)범위의 입력 전압 범위에서 최대 600W의 조정된 출력 전력을 제공한다. 예를 들면, ABC601-1T48은 48VDC 출력을 지닌다. 이러한 PSU의 정격은 내장형 전면 장착 팬 모델의 경우 600와트의 연속 전력 또는 최대 60℃ 온도에서 최대 10초 동안 순간 최대 800와트이다(그림 3). U 섀시 모델의 경우 1.2A, 전면 장착 팬 모델의 경우 1.5A 정격의 5VDC 대기 전원 출력, 그리고 12V, 1A의 팬 출력을 제공한다.

[그림 3] ABC601 계열의 내장형 전면 장착 팬 모델은 600W의 연속 전력(상단 그래프의 빨간색 선) 또는 최대 60°C 온도에서 최대 10초 동안 최대 800와트(하단 그래프의 빨간색 선)를 제공한다. (이미지 출처: Bel Power Solutions)

ABC601 계열은 U 프레임 섀시 또는 전면 장착 팬 내장형의 두 가지 패키지로 제공된다(그림 4). ABC601 계열은 전체 전력을 향상하기 위해 장치 간의 병렬 작동을 위한 내부 전류 공유 회로를 갖추고 있다.

[그림 4] ABC601 PSU는 팬 냉각(상단) 또는 대류 냉각(하단)으로 제공된다. (이미지 출처: Power Solutions)

Bel Power Solutions의 EOS Power VPS600 계열 개방형 프레임 PSU는 85V ~ 264VAC의 더 좁은 입력 범위와 최대 600와트의 연속 출력 및 1ms 동안 720와트의 순간 최대 전력을 제공한다(그림 5). 이 PSU는 12V, 15V, 24V, 30V, 48V, 58VDC의 출력 전압으로 제공된다. 예를 들어 VPS600-1048의 출력은 48VDC이다. 이러한 장치에는 5VDC, 500(mA), 대기 전력 출력과 12V, 500mA, 팬 출력이 포함된다. ABC601 계열은 두 가지 패키지 스타일로 제공되는 반면, VPS600 계열은 600W 정격의 대류 냉각 U 채널, 420W 정격의 슬롯형 덮개 장치, 그리고 360W 정격의 일반 덮개 장치의 세 가지 다른 전력 정격으로 제공된다.

[그림 5] VSP600 계열은 600W 대류 냉각 U 채널 장치, 420W 슬롯 덮개 장치 및 360W 일반 덮개 장치의 세 가지 패키지 구성으로 제공된다. (이미지 출처: Power Solutions)

다양한 출력 전압 옵션과 패키지 스타일은 다양한 부하 경감 곡선을 갖는다. 예를 들면, 24VDC 출력 장치의 부하 경감의 경우

• 개방형 프레임

° 대류 부하, 최대 30℃ 온도에서 600W 연속 공급

• 슬롯형 덮개

° 대류 부하, 최대 30℃ 온도에서 420W 연속 공급

• 일반 덮개

° 대류 부하, 최대 30℃ 온도에서 360W 연속 공급

• 모든 형태의 덮개의 경우

° 30℃ ~ 50℃에서 ℃마다 0.833% 비율로 출력을 낮춤

° 50℃ 이상에서 ℃마다 2.5% 비율로 최대 70℃까지 출력을 낮춤

입력 전압 효과

PSU 효율은 더 낮은 입력 전압일 경우에는 공칭 출력 전력보다 더 낮게 출력될 수 있다. 예를 들어 AC-DC 전원 공급 장치의 ABE1200/MBE1200 계열은 180V ~ 305VAC 입력으로 1200W를 제공하고, 입력 범위 85V ~ 180VAC에서는 1000W를 제공한다(그림 6). 이들의 공칭 정격은 0℃ ~ 60℃이다. 70℃ 온도에서는 각 1200W에서 1100W로 그리고 1000W에서 900W로 선형으로 출력이 낮아진다.

[그림 6] ABE1200/MBE1200 PSU는180V ~ 305V AC의 입력 전압에서 1200W를 제공하고, 85V ~ 180VAC의 입력 전압에서 1000W를 제공한다. (이미지 출처: Bel Power Solutions)

이러한 PSU는 최대 기류가 필요하지 않은 경우 가청 잡음을 최소화하기 위한 팬 속도 제어 기능을 포함하고 있다. 3개의 1U 높이 호환 패키지로 제공되는데, 이는 2개의 팬이 내장된 모델(24VDC 모델만 해당)과 2개의 보호 덮개 옵션이 있는 U자형 섀시를 포함한다(그림 7).

[그림 7] ABE1200 PSU는 이중 팬(24VDC 모델만 해당)과 두 가지 보호 덮개 선택이 가능하다. (이미지 출처: Bel Power Solutions)

DIN은 다르다

LEN120계열 PSU의 정격 공칭 전력은 120W이며 표준 DIN 레일 장착용으로 설계되었다. 예를 들면, LEN120-12는 90V ~ 264VAC(범용) 또는 127V ~ 370 VDC의 공칭 입력 전압 범위에서 12VDC의 출력을 제공한다(그림 8). DIN 레일 PSU를 부하 경감하는 경우, 규격서에서는 보통 작동 온도 외에도 입력 및 출력 전압도 동시에 고려한다. 

[그림 8] LEN120 계열 DIN 레일 PSU는 정격 120W이며 대류 냉각 방식이다. (이미지 출처: Bel Power Solutions)

LEN120 계열의 경우

• 모든 모델

° -20℃에서 -10℃까지, 공칭 115VAC 입력에서 출력 전력은 2%/℃ 비율로 감소

° -20℃에서 -10℃까지, 공칭 230VAC 입력에서 부하 경감 불필요

° +40℃에서 +60℃까지, 공칭 115VAC 입력에서 출력 전력은 2.5%/℃ 비율로 감소

° 입력 전압이 115V ~ 264VAC 및 162V ~ 370VDC일 경우 부하 경감 불필요

° 입력 전압이 115V ~ 90VAC 및 162V ~ 127VDC(낮은 라인 조건)일 경우, 출력 전력이 1%/V 비율로 감소

• 모델 LEN120-12(12VDC 출력)

° +45℃에서 +60℃까지, 공칭 230VAC 입력에서 출력 전력은 3.33%/℃ 비율로 감소

• 모델 LEN120-24 및 LEN120-48(각 24V 및 48 VDC 출력

° +50℃에서 +60℃까지, 공칭 230VAC 입력에서 출력 전력은 5%/℃ 비율로 감소

개선된 열관리 설계를 위한 실용적인 단계

살펴본 바와 같이, PSU를 시스템에 통합하려면 복잡한 열 설계 문제가 수반된다. 예기치 않은 문제를 피하기 위해 설계자가 실천할 수 있는 몇 가지 실용적인 단계가 있다.

PSU 제조업체는 팬 기류와 정압(P-Q 곡선) 사이의 관계에 대한 세부 정보를 제공할 수 있으므로, 설계자는 PSU 팬의 기류가 시스템의 내부 배압의 방향과 같은 방향으로 작동할지 또는 역방향으로 작동할지 예상할 수 있다.

일부 PSU 제조업체는 PSU 열 성능을 평가하고 잠재적인 문제점을 식별하기 위해 전체 시스템 모델에서 사용할 수 있는 PSU의 FlowTHERM 열관리 모델을 제공할 수 있다. PSU 제조업체가 시스템 열관리 설계를 검토하고 추가 분석을 위한 권장 사항을 제시하거나 설계의 유효성을 확인하도록 한다.

결론

의료용 또는 산업용 응용 제품을 위한 PSU 열 관리 시스템을 설계할 때 고려해야 할 몇 가지 사항이 있다. 여기에는 시스템 기류, 시스템 팬이 PSU에 통합된 팬의 성능에 미칠 수 있는 영향, 지정된 작동 온도 범위, 순간 최대 전력 공급 지원의 필요성, 입력 전압 범위가 소비 전력에 미칠 수 있는 영향이 포함된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 설계자는 다양한 열 환경과 응용 제품 시나리오에 최적화된 Bel Industrial Power의 PSU 설계로 전환하여 이를 활용할 수 있다. 또한 PSU 제조업체는 설계 공정 속도를 높이는 데 도움이 되는 열 관리 도구를 제공한다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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