Langer leven voor een voeding

Vier basisregels

Wat kan een gebruiker doen om de levensduur van een voeding te verlengen? In dit artikel komen vier praktische aanbevelingen aan de orde die een positieve invloed hebben op de voeding en ten goede komen aan de betrouwbaarheid en levensduur van nabije systeemcomponenten in de schakelkast of machine.

Met de vuistregel in gedachten dat de levensduur van een voeding met de helft afneemt bij elke 10 °C stijging van de bedrijfstemperatuur, kan je niet om deze parameter heen. Hier vind je vier tips en suggesties om de temperatuur van een voeding te verlagen en zo de levensduur te verlengen.

1. De juiste voeding

Rendement is een essentieel selectiecriterium. Moderne apparaten kunnen een rendement tot 96% bereiken. Bij dergelijke rendementsniveaus kunnen kleine verbeteringen van 2 tot 3 procent een serieus verschil maken. Als voorbeeld nemen we een voeding die 1000 W levert met een rendement van 96%. Deze heeft een vermogensverlies van 41,7 W, dat wordt gedissipeerd als warmte. Voor een apparaat met een rendement van 93% is het vermogensverlies met 75,3 W bijna het dubbele. Dat resulteert in 80% meer gegenereerde warmte in een systeem dat slechts 3% minder efficiënt is. Daarom is het altijd aan te raden om bij het kiezen van een voeding te letten op het vermogensverlies in plaats van het rendement.

Afbeelding 1. Rendementscurve vs. uitgangsbelasting van twee verschillende modellen voedingen.

Waar je ook rekening mee moet houden, is dat het gebruikelijk is om het rendement te specificeren onder ideale omstandigheden, zoals nominale belasting en optimale ingangsspanning. Deze waarden komen echter zelden overeen met de werkelijke omstandigheden. Daarom is het verstandig om aan de hand van de rendementscurves het rendement op het gewenste werkpunt te bepalen. Deze waarden maken ook een vergelijkinging tussen verschillende apparaten mogelijk. De vorm van de rendementscurves is een goede indicator voor een goed ontworpen voeding. Geschikte apparaten hebben een bijna constant rendement over een breed vermogensbereik, terwijl het rendement van apparaten met lagere prestaties aanzienlijk afneemt bij deelbelasting. Zelfs als de gepubliceerde vollastrendementen van twee voedingen hetzelfde zijn, kunnen er toch aanzienlijke verschillen zijn in de rendementen bij deellast, waar voor een juiste interpretatie de praktijkomstandigheden weer om de hoek komen kijken (afbeelding 1).
Naast het rendement moet ook aandacht worden besteed aan de opgegeven levensduur. Helaas verstrekken sommige fabrikanten deze informatie niet en kun je de betreffende voeding beter niet verder betrekken in de selectieproces.
Ben je ook bewust van het onderscheid tussen levensduur en MTBF. Deze waarden kan je gemakkelijk met elkaar verwarren omdat ze beide in uren worden uitgedrukt. MTBF (Mean Time Between Failure) is een statistische waarde die de uitvalpercentages in de tijd beschrijft. Een MTBF-waarde van 1 miljoen uur betekent bijvoorbeeld dat als er 10.000 apparaten in het veld worden gebruikt, er elke 100 uur een apparaat defect gaat. Het is echter onmogelijk om te voorspellen of het defecte apparaat al 50.000 uur werkt of slechts 10 uur.

Afbeelding 2. Typisch tijdsverloop voor het optreden van storingen van elektronische apparatuur.

MTBF is niet de meest kritische parameter om rekening mee te houden, maar wel de specificatie van de levensduur van een apparaat. Meestal zijn componenten zoals elektrolytische condensatoren en ventilatoren de beperkende factoren. Soms kunnen ook andere componenten zoals microprocessoren een rol daarin spelen. Fabrikanten van dergelijke componenten geven formules en parameters om hun levensduur te berekenen. Uiteindelijk zal de component met de kortste levensduur de totale levensduur van de voeding bepalen (afbeelding 2).
Terwijl een evaluatie van de levensduur kan worden gebruikt om de ‘zwakke punten in het ontwerp’ van een apparaat te identificeren, is de MTBF-berekening een statistisch gemiddelde van het uitvalpercentage in de loop van de tijd. Dit zijn twee totaal verschillende maatstaven die niet aan elkaar zijn gerelateerd. Bij het vergelijken van verschillende apparaten is het essentieel om ervoor te zorgen dat dezelfde waarden voor omgevingstemperatuur, ingangsspanning en uitgangsvermogen worden gebruikt. Anders zijn de resultaten moeilijk te vergelijken.

2. Optimale installatie

Voedingen worden meestal geïnstalleerd in schakelkasten of machines. Hierin kan de gemiddelde temperatuur veel hoger zijn dan buiten de kast. Er kan ook een aanzienlijk temperatuurverschil zijn tussen de onderkant en de bovenkant van de kast. Plaatsing van de voeding in het koelere onderste gedeelte heeft dan ook de voorkeur. Daarbij is het schoorsteeneffect veel sterker wanneer de voeding als vanzelf warmte doet opstijgen. Het schoorsteeneffect zorgt voor meer luchtbeweging in de schakelkast, wat resulteert in een betere temperatuurverdeling en minder hotspots. Voor meer flexibiliteit bij het plaatsen van de voeding kan ook een ventilator in de kast worden geïnstalleerd.

3. Vrije ruimte rondom

Afbeelding 3. Experimentele opstelling voor het bepalen van het effect van zijwaartse tussenruimte op het thermische gedrag van voedingen

Voedingen worden steeds compacter en krachtiger, wat ze steeds vaker tot een hot-spot component in de schakelkast maakt. Fabrikanten van voedingen proberen de warmte vanuit de binnenkant van het apparaat via de behuizing naar buiten af te voeren. Daarom moet er boven een belastingsniveau van ongeveer 50% een minimale vrije ruimte worden aangehouden ten opzichte van aangrenzende componenten. De vereiste minimumafstanden variëren en zijn afhankelijk van het feit of aangrenzende componenten zelf ook warmte produceren.
Met een DIN-railvoeding als voorbeeld werden meerdere testopstellingen geconfigureerd om het effect van verschillende afstanden te evalueren (afbeelding 3). Vrije ruimtes zijn in het algemeen niet populair bij systeemarchitecten omdat die ten koste gaan van kostbare installatieruimte. De tests zijn dan ook uitgevoerd onder omstandigheden waar zo weinig mogelijk extra ruimte nodig is. De resultaten toonden aan dat zelfs een paar millimeter zijdelingse tussenafstand aanzienlijke thermische voordelen oplevert. Meer dan 5 mm tussenafstand levert over het algemeen geen verdere verbeteringen op. Als een aangrenzende component ook een warmtebron is, wordt aanbevolen om de tussenruimte te verdubbelen (10 mm). De natuurlijke luchtstroom voor convectie mag ook niet belemmerd worden. Daarom moet er onder het apparaat tenminste 20 mm vrij worden gehouden en erboven tenminste 40 mm. Het boven elkaar installeren van voedingen, waardoor het bovenste apparaat wordt verwarmd door het onderste, moet te allen tijde worden vermeden (afbeelding 4).

Afbeelding 4. Plaats voedingen niet boven elkaar.

4. Overdimensioneren

Heeft een voeding die overgedimensioneerd is en slechts bij gedeeltelijke belasting wordt gebruikt, een langere levensduur? Op die vraag valt geen eenduidig antwoord te geven, omdat dit afhankelijk is van de rendementscurves en het ontwerp van het apparaat. Algemeen gesteld kan het doel om de temperatuur te verlagen worden beïnvloed door het rendement van de voeding en de grootte van het koeloppervlak. Dit kan duidelijk worden gemaakt aan de hand van de volgende twee scenario’s voor een 24V-voeding die 10 A moet leveren:

In scenario A wordt een 24 V / 10 A voeding met 94% rendement gebruikt. Dit resulteert in 15,3 W vermogensverlies.
In scenario B wordt een groter model gebruikt (24 V / 20 A) met een vollast rendement van 95%.

Om een directe vergelijking te kunnen maken tussen beide scenario’s, moet voor scenario B het rendement voor de werking bij 10 A bekend zijn. Indien dit lager is dan 94%, dan zullen de vermogensverliezen hoger zijn dan in scenario A. Maar door het grotere koeloppervlak (de voeding is groter) zal de temperatuur waarschijnlijk lager zijn, wat resulteert in een langere levensduur. Indien het rendement beter is dan 94%, valt er weinig af te dingen op de keuze voor een overgedimensioneerde voeding. Hoewel het 20 A model groter is, win je ook weer ruimte omdat er bij deelbelasting geen zijdelingse tussenafstand nodig is.

Conclusie

Het naleven van deze vier basisprincipes komt niet alleen de voeding zelf ten goede, maar helpt ook de levensduur van aangrenzende componenten in de schakelkast of de machine te verlengen. Bovendien minimaliseren deze maatregelen de warmte die wordt gegenereerd door de systeemvoeding(en), verlagen ze de bedrijfskosten (door energie te besparen) en zijn ze goed voor het milieu.

Auteur: Chris Maidment, TDK-Lambda EMEA

Beurs E&A 2023, stand 7D036