죽느니 열을 식히는 게 낫다

전원 공급 장치의 수명에 온도가 중요한 역할을 하는 이유는 아레니우스 방정식에서 찾을 수 있습니다. 스웨덴 화학자 스반테 아레니우스(Svante Arrhenius)는 화학 반응 속도와 온도 사이의 관계를 계산하기 위해 1889년에 이 방정식을 개발했습니다. 많은 전자 부품의 고장이 부식, 누설 전류, 확산, 이주 효과 등의 화학적 원인에 기인하듯이, 일반적으로 높은 주변 온도 또는 작동 온도는 전원 공급 장치의 조기 고장으로 이어지는 가장 공격적인 스트레스 요인입니다.

모든 전원 공급 장치는 열을 발생시킵니다. 이는 내부 전력 손실에 기인합니다. 이 전력 손실은 효율과 부하에 의존합니다. 효율이 높을수록 내부 전력 손실이 적고, 마찬가지로 출력 전력이 낮을수록 내부 열 손실이 적습니다. 결과적으로 전원 공급 장치 내부에서 손실되는 전력량은 다음과 같은 간단한 방정식에서 확인할 수 있습니다.

내부 열을 발산할 수 없는 경우(주위로 손실) 열 폭주가 발생하여 전원 공급 장치가 파손될 수 있습니다. 전원 공급 장치의 과열을 방지하려면 높은 주변 온도에서 출력 전력을 경감(감소)해야 합니다. 예를 들어, 다음 경감 다이어그램은 이 전원 공급 장치가 최대 68°C의 주변 온도까지는 전체 전력을 공급할 수 있지만 85°C 이상의 주변 온도에서 작동하려면 전체 부하의 55%로 제한되어야 함을 보여줍니다.

경감 다이어그램은 고유한 작동 조건에 대해서만 유효하며, 일반적으로 공칭 VIN과 자유 공기 대류 냉각에 대해 그러합니다. 또한 이 그래프는 전원 공급 장치 케이스와 주변 공기(θ_CA) 사이의 자연 대류 열 저항이 일정하므로 내부 온도 상승 Trise가 전력 손실에 정비례한다고 가정합니다. 최대 부품 온도에 도달하면 주변 온도가 추가로 증가할 경우 출력 전력을 그에 따라 낮추어 균형을 이루어야 합니다.

더 높은 주변 온도에서 더 많은 출력 전력이 필요한 경우 열 임피던스를 줄여야 합니다. 강제 공랭을 사용하면 전원 공급 장치에서 더 많은 열이 대류될 수 있으므로 다양한 유량의 경감 그래프 집단이 생성됩니다.

미분 Q-dot은 단위 시간당 열 전달률, h는 열 전달 계수, A는 표면적, T_rise 는 내부 전력 손실로 인한 온도 상승입니다.

동일한 온도 상승과 표면적에 대해 공기 유량을 늘리면 열 전달 계수 h가 향상되어 열 전달률이 증가합니다. 위 예에서 경감은 자유 공기 자연 대류(0m/s 기류)의 경우 +68°C에서 시작하지만, 동일한 전원 공급 장치는 2m/s 강제 기류일 때 +85°C에서, 3m/s의 강제 기류일 때 +90°C 이상에서 최대 전력을 제공할 수 있습니다.

경감 다이어그램은 계산된 결과라는 점을 언급해야 합니다. 계산에서 출력 부하와 입력 전압에 대해 전력 손실이 일정하게 유지되고(참이 아님) 열 임피던스가 주어진 유량에 대해 일정하게 유지된다고(이 또한 참이 아님) 가정하기 때문에 그래프에 직선이 있습니다.

경감을 계산하지 않고 측정하면 결과는 경감 곡선으로 나옵니다.


경감 곡선을 측정하려면 보정된 풍동과 실시간 온도 모니터링이 가능한 자동 제어 시스템이 필요합니다. 그림 6은 RECOM 설정을 보여줍니다.

풍동 내부의 기류는 0.05m/s까지 조절되고 층류가 됩니다. 전자동 제어 시스템은 적외선(IR) 카메라를 사용하여 부품 온도를 비접촉식으로 모니터링하고 실시간 최대 전력 손실 모니터링을 위해 출력 부하를 조정합니다(그림 7). IR 카메라에는 제어 컴퓨터에 연결된 이더넷 링크 데이터 피드가 있어 시스템이 여러 부품의 온도를 동시에 모니터링하여 그중 어느 것도 한도를 초과하지 않도록 합니다.



기류는 단계적으로 증가하고 부품 온도가 모니터링됩니다. 시스템은 모든 핫스팟을 임계 온도 아래로 유지하기 위해 출력 전력을 자동으로 제어합니다.



컴퓨터는 각 테스트의 데이터를 기록한 다음 각 기류 단계에서 열 전달 계수(출력 전력의 와트당 온도 상승(°C/W))를 계산하여 열 계수 측정치를 기반으로 정확한 경감 그래프를 자동으로 구성합니다.

결론

경감 계산의 신뢰도는 계산에 사용되는 데이터에 좌우됩니다. 또한 몇 가지 가정을 기반으로 합니다. 결과적으로 정확한 매개변수 값과 정확한 경감 곡선을 생성하려면 실제 테스트가 필요합니다.

이 공정을 자동화하면 반복성이 보장되고 테스트 속도를 크게 높일 수 있습니다. 예를 들어, 전원 공급 장치를 적절하게 특성화하기 위해 공기 유량을 다르게 하여 여러 필수 부품의 최대 온도를 수동으로 측정하려면 며칠이 걸리곤 했습니다. 이제는 자동화된 공정 덕분에 몇 시간 만에 정확한 경감 곡선을 생성할 수 있습니다.

주변 온도가 높은 열악한 작동 조건에서 전원 공급 장치를 설치하면 장치의 수명이 크게 단축됩니다. 물론 전원 공급 장치가 극한의 작동 범위에 도달해야 하는 경우도 있을 수 있지만, 이는 열 폭주 또는 소손된 부품 등의 치명적인 실패 위험 없이 수행되어야 합니다. 그러나 경감 곡선이 계산된 것이 아니라 측정되었다는 사실은 전원 공급 장치가 중간에 장애를 일으키지 않고 그러한 극한의 이벤트를 견뎌낼 것임을 나타내므로 어느 정도의 신뢰감을 부여합니다.

또한 당사 테스트 결과, 서로 다른 부품이 서로 다른 작동 조건에서 최대 온도 한계에 도달하는 것으로 나타났습니다. 예를 들어 낮은 기류에서 입력 벌크 커패시터의 온도는 출력 전력을 제한하는 “가장 약한 연결고리”가 될 수 있습니다. 그러나 더 높은 기류에서 축전기의 원통형 모양 주위에 발생하는 와류 흘림은 유효 열 전달률을 증가시키고 다른 부품(일반적으로 스위칭 트랜지스터)이 축전기보다 먼저 임계 최대 온도에 도달합니다. 이러한 실제 변동성을 열 흐름 모델링을 사용해 정확하게 시뮬레이션하기는 비록 불가능하지는 않지만 어렵습니다. 그러나 RECOM 시스템은 다중 핫스팟 IR 열 화상을 사용하여 가장 필수적인 부품을 자동으로 선택하고 이를 사용하여 부하를 제어할 수 있습니다.

따라서 경감 곡선은 서로 다른 작동 조건에서 동일한 전원 공급 장치에 대해 항상 비슷하지는 않습니다. 당사의 전원 공급 장치가 극한 조건에서 한도를 초과하지 않는다는 확신이 필요한 RECOM 고객을 위해, 당사는 풍동 설정을 프로그래밍하여 이러한 작동 상태를 복제하고 명확한 통과/실패 응답을 제공할 수 있습니다.

[1] 어디서 들어본 제목이 아닌가 싶을 것입니다. Nirvana의 앨범 Nevermind에서 커트 코베인(Kurt Cobain)이 부른 Stay Away 트랙에 “I'd better be dead than cool”(열정 없이 사느니 차라리 죽는 게 낫다)이라는 가사가 있었습니다. 물론 그는 둘 다 이루었습니다.