기술노트 - UHP-1000에 대한 응용 프로그램 노트

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기술노트 - UHP-1000에 대한 응용 프로그램 노트

운영자 0 1,662 2021.06.02 09:21

MEAN WELL의 UHP-1000 시리즈는 팬이없는 솔루션을 제공하도록 설계되었습니다. 팬이없는 독특한 디자인은 먼지 침투 문제를 해결하여 장비 유지 보수 빈도, 비용 오버 헤드를 효과적으로 줄이는 동시에 조용한 작동 요구 사항이있는 실내 장비에 완벽하게 적합한 UHP-1000을 만듭니다. 포괄적 인 기능은 다양한 애플리케이션에서 널리 사용되며, 그중 일부는 애플리케이션 예제로 아래에 자세히 설명되어 있습니다.


UHP-1000의 적응 형 제어 및 유연한 방열 옵션은 산업용 정전압 애플리케이션에서 충전 시스템에 이르기까지 다양한 애플리케이션에 적합한 솔루션입니다. 반 화분 설계로 UHP-1000은 진동 및 먼지 침투에 강하고 수명이 상당히 연장 된 강력하고 슬림 한 팬이없는 전원 공급 장치입니다. IEC / EN / UL 62368-1에 대한 국제 인증으로 구성되며 요청시 EN61558-1 및 가정용 안전 EN60335-1을 모두 준수 할 수 있습니다. 또한 -30oC ~ + 70oC의 넓은 작동 온도 범위와 범용 AC 주전원 입력으로 5000m의 고도에서 작동 할 수 있습니다. UHP-1000은 12V, 24V, 36V 및 48V의 포괄적 인 출력 전압 범위를 통해 다양한 시스템에 적용 할 수 있습니다.

 

    
그림1: UHP-1000
   
 

프로그래밍 가능한 출력 :


DC OK 신호, 원격 ON-OFF 제어 및 보조 12V 출력과 함께 UHP-1000은 또한 프로그래밍 가능 전압 (PV) 및 프로그래밍 가능 전류 (PC) 기능을 포함하여 고정 또는 동적 제어를 통해 넓은 출력 전압 범위를 허용합니다. 대부분의 응용 프로그램에 적합합니다. 예를 들어, 열 제어 챔버는 온도를 감지하고 그에 따라 발열체를 제어하기 위해 전원 공급 장치 출력 전압을 조정할 수 있습니다. 프로그래밍 가능 전류는 충전 애플리케이션 또는 LED 제어에 유용 할 수 있습니다.


아래 그림 2에서 볼 수 있듯이 UHP-1000 출력 전압은 외부 DC 2.5V ~ 6V 신호로 조정될 수 있으므로 정격 출력 전압의 50 % ~ 120 %에서 추가 조정이 가능합니다. PV 제어를 사용하면 설정된 출력 전압을 고려하여 최대 출력 전류가 자동으로 조정되어과 전력 또는 과열을 방지합니다.



그림 2 : PV 제어 및 자동 경감 곡선 

PC 모드는 정격 출력 전류의 20 %까지 전류를 제한 할 수 있습니다 (그림 3). 모터 또는 용량 성 부하와 같은 많은 애플리케이션은 높은 돌입 전류를 생성합니다. PC 제어는이 돌입 전류를 사용자가 결정한 특정 정전류 값으로 제한하는 데 특히 유용합니다. 프로그래밍 가능한 전류 제어는 밝기 조정 또는 충전 시스템을위한 LED 조명과 같이 정전류 작동이 필요한 다른 애플리케이션에도 적합합니다.



그림 3 : 출력 전류 프로그래밍
 

PV 및 PC 제어의 조합이 가능하므로 UHP-1000은 매우 유연하고 충전 응용 분야 (응용 사례 1 참조) 및 높은 돌입 전류 (응용 사례 2 참조) 응용 분야에 적합합니다.


진동 및 충격 :


UHP-1000의 알루미늄 케이스와 관련된 세미 포트 구조는 자동차 산업의 충격 및 진동에 대한 탄력성 측면에서 높은 요구 사항을 충족하는 5G 진동을 견딜 수있는 강력하고 안정적인 기계 설계를 제공합니다.


열 고려 사항 및 설계 가이드 :


알루미늄 인클로저 자체는 통합 팬 사용의 필요성을 극복하면서 생성 된 열을 효율적으로 발산하기 위해 특별히 고안되었습니다. 이는 UHP-1000의 수명과 신뢰성을 상당히 증가시키는 동시에 가청 소음에 민감한 애플리케이션 및 먼지가 많은 환경에 적합합니다. 최적화 된 열 관리를 통해 높은 전력 밀도와 함께 41mm의 로우 프로파일 설계를 달성 할 수 있습니다. 슬림 한 폼 팩터로 사용 가능한 공간이 제한된 애플리케이션에 사용할 수 있습니다.


UHP-1000의 잠재력을 최대한 활용하려면 냉각 방법에 특별한주의를 기울여야합니다. 다양한 옵션을 사용할 수 있으므로 UHP-1000을 이미 존재하는 시스템에 완벽하게 통합 할 수 있습니다.


1. 대류 냉각 :



그림 4 : 대류 냉각 경감 곡선

대류 냉각은 전원 공급 장치 작동 중에 발생하는 열을 분산시키는 가장 편리한 방법입니다. 팬이 필요하지 않으므로 가청 소음이 발생하지 않으며 전원 공급 장치 내부에 강제로 먼지가 침투하지 않습니다. 이 솔루션은 정격 전력의 60-70 % 미만을 끌어 오는 부하에 대해 실행 가능합니다. 장치 외부로 자연적인 공기 흐름을 허용하려면 장치 위로 10cm의 간격을 유지해야합니다. 더 높은 전력 수요의 경우 강제 공기 냉각 및 전도 냉각이 더 적합합니다.
 
2. 강제 공기 냉각 :


그림 5 : 강제 공기 냉각 경감 곡선

더 높은 전력이 필요한 경우 강제 공기 냉각이 옵션입니다. UHP-1000 측면에 외부 팬을 추가하면 더 나은 열 방출이 가능합니다. 권장되는 설치는 다음과 같습니다.


그림 6 : 팬 구성


이 솔루션은 장치를 작동 범위 내에 포함 된 온도로 유지하기에 충분한 공기 흐름을 제공하는 한 설치에 이미 존재하는 팬을 활용할 수 있습니다.


3. 전도 냉각 :



그림 7 : 전도 냉각 경감 곡선
 
이 냉각 방법은 특히 전력 수요가 높고 팬 사용이 바람직하지 않은 상황에 적합합니다. UHP-1000은 장치가 열을 흡수하고 발산하는 데 도움이되는 큰 금속 덩어리에 부착해야합니다. 다양한 옵션을 사용할 수 있으며 그중 알루미늄 판을 사용하는 하나의 참조 설계가 여기에 표시됩니다.

그림 8 : 알루미늄 판 구성 

전도 냉각 방법은 표면이 매끄럽고 열 그리스로 얇게 코팅 된 한 UHP-1000을 금속 섀시에 직접 장착 할 수 있다면 매우 편리 할 수 있습니다.
 
열 설계 검증 :

선택한 솔루션이 무엇이든 다음은 선택한 냉각 방법이 적용되었는지 확인하는 간단한 방법입니다.

그림 9 : 케이스 온도 경감 곡선
 
몇 시간 작동 후 케이스 온도 (아래에 표시된 Tc 지점)를 측정하는 것은 냉각 설계의 신뢰성을 나타내는 좋은 지표입니다. 온도가 80-90oC에 도달하지 않는 한 열 설계는 유효합니다.

그림 10 : Tc 포인트 위치

고려해야 할 또 다른 중요한 요소는 주변 온도입니다. 모든 냉각 방법에서 주변 온도가 40-50oC에 도달하면 사용자는 경감 곡선에 따라 UHP-1000에서 끌어 오는 전력을 제한해야합니다. 필요한 경우 시스템의 신뢰성을 보장하기 위해 고전력 제품으로 업그레이드하는 것이 좋습니다.

적용 사례 :

1. 충전 애플리케이션 :

UHP-1000의 다 용성으로 인해 납축 배터리에서 슈퍼 커패시터 뱅크에 이르기까지 다양한 충전 애플리케이션에 사용할 수 있습니다. UHP-1000은 각 상황에 효율적이고 안정적으로 적응할 수 있습니다.

납산 배터리 :

아래는 12V / 200Ah 납축 배터리의 정격입니다.

 
-정전압 충전 작동 : 정전압 레벨은 통합 전위차계 또는 PV 제어를 사용하여 14.4V로 설정되어야합니다.

-정전류 작동 : 배터리 사양에 따라 최대 충전 전류는 60A입니다. 따라서 PC 핀에 4.5V의 외부 전압을 적용하여 PC 제어를 60A로 설정해야합니다.

-부동 동작 : 여기에서 충전 전압을 13.6V로 낮추어야합니다. 이는 통합 전위차계 SVR을 조정하거나 PV 핀에 5.6V의 외부 전압을 적용하여 수행 할 수 있습니다.

슈퍼 커패시터 뱅크 :

수퍼 커패시터 뱅크와 관련하여 은행의 최대 용량에주의를 기울여야합니다. 뱅크의 용량이이 값을 초과하면 방전 된 뱅크에 의해 프로세스 시작시 낮은 전압이 부과되기 때문에 전원 공급 장치가 저전압 보호 모드로 전환되고 3 초 후에 종료됩니다.


표 1 : 슈퍼 커패시터 뱅크 최대 용량
 
참고 1 : 전류 제한 장치없이 UHP-1000에 직접 연결된 커패시터 뱅크에서 정격 출력 전류의 110 %의 정전류 충전에 대해 주어진 값입니다.
 
2. 발열체 :

발열체에서 발생하는 열량은 PV 기능을 사용하여 편리하게 제어 할 수 있습니다. 실제로 저항성 요소에 의해 소비되는 전력은 P = V² / R이므로 출력 전압은 생성 된 열의 양과 직접적으로 관련됩니다. 이는 시스템에 온도가 다른 다양한 가열 단계가 필요할 때 특히 유용 할 수 있습니다.

또한 대부분의 발열체는 시동시 매우 낮은 저항을 나타내어 높은 돌입 전류로 이어지는 특성을 가지고 있습니다. UHP-1000은 3 초 미만으로 지속되는 한 정격 출력 전류의 105-120 %에서 돌입 전류를 자동으로 클램핑합니다. 그렇지 않으면 장치가 과부하 보호 모드로 들어가고 3 초 후에 종료됩니다.
 




MEAN WELL’s UHP-1000 series has been designed to provide a fanless solution. The unique fanless design solves dust ingression issues, thus effectively reducing equipment maintenance frequency, cost overhead, while at the same time making UHP-1000 perfectly suitable for indoor equipment with silent operation requirements. Its comprehensive functionalities are widely used in various applications, some of which are detailed in depth, below, as application examples.

UHP-1000’s adaptive control and flexible heat dissipation options makes it a suitable solution for a wide range of applications, from industrial constant voltage applications to charging systems. The semi-potted design makes UHP-1000 a strong and slim fanless power supply resilient to vibrations and dust ingression along with considerably extended lifetime. It comprises international certifications for IEC/EN/UL 62368-1, and compliance with both EN61558-1 and household safety EN60335-1 are available upon request. It is also capable of a high-altitude operation of 5000m under a wide working temperature range from -30oC to +70oC and with universal AC mains input. The inclusive output voltage range of 12V, 24V, 36V and 48V of UHP-1000 makes it adaptable to various systems.
 

    
Fig 1: UHP-1000
   
 

Programmable output:

Along with DC OK signal, Remote ON-OFF control, and an auxiliary 12V output, UHP-1000 also comprises Programmable Voltage (PV) and Programmable Current (PC) functions, thus allowing a wide output voltage range, with fixed or dynamic control to fit most applications. For example, a thermal controlled chamber might sense the temperature and adjust the power supply output voltage to control the heating element accordingly. Programmable Current can be useful for charging applications or LED control.

As shown in Figure 2 below, UHP-1000 output voltage can be adjusted with an external DC 2.5V to 6V signal, allowing an extra adjustment from 50% to 120% of the rated output voltage. When using PV control, the maximum output current is automatically adapted taking into consideration the set output voltage to prevent overpower or overheat.



Fig 2: PV control and automatic derating curve
 

PC mode can limit the current down to 20% of the rated output current (Figure 3). Many applications such as motors or capacitive loads create high inrush currents. PC control is particularly useful to limit this inrush current to a certain constant current value determined by the user. Programmable current control is also suitable for other applications that require a constant current operation, such as LED lighting for brightness adjustment or charging systems.



Fig 3: Output current programming
 

A combination of both PV and PC controls is possible which makes UHP-1000 very flexible and suitable for charging applications (cf. Application Example 1) as well as for applications with high inrush currents (cf. Application Example 2).

Vibration and shocks:

The semi-potted structure associated with the aluminium case of UHP-1000 result in a strong and reliable mechanical design capable of withstanding 5G vibrations that meet the high demand in terms of resilience to shocks and vibrations in the automotive industry.

Thermal considerations and design guide:

The aluminium enclosure itself has been specially conceived to efficiently dissipate the generated heat while getting over the need for using integrated fans. This considerably increases the lifetime and the reliability of UHP-1000, while making it suitable for audible noise-sensitive applications, and dust prone environments. The optimized thermal management makes it possible to achieve a low-profile design of 41mm along with a high power density. Its slim form factor enables its use for applications with limited available space.

In order to take full advantage of the potential of UHP-1000, special attention should be brought to the cooling method. Many options are available, making UHP-1000 seamlessly integrable into already existent systems:

1. Convection cooling:



Fig 4: Convection cooling derating curve

Convection cooling is the most convenient way to dissipate the heat generated during power supply operation. It requires no fan, thus there is no emission of audible noise and no forced dust ingression inside the power supply. This solution is viable for loads drawing below 60-70% of the rated power. To allow natural airflow out of the unit, a clearance distance of 10cm above it should be respected. For higher power demand, forced air cooling and conduction cooling are more suitable.
 
2. Forced air cooling:


Fig 5: Forced air cooling derating curve

If a need for higher power arises, forced air cooling is an option. Adding an external fan to the side of the UHP-1000 will allow a better heat dissipation. A suggested installation is shown below:


Fig 6: Fan configuration

This solution can take advantage of an already existing fan in your installation, as long as it provides enough airflow to maintain the unit to a temperature comprised within its operation range.

3. Conduction cooling:



Fig 7: Conduction cooling derating curve
 
This cooling method is particularly adapted to situations with high power demand, and when the use of a fan is undesired. The UHP-1000 should be attached to a large metal mass that can help the unit absorb and dissipate the heat. Many options are available, among which one reference design using an aluminum plate is shown here:

Fig 8: Aluminum plate configuration
 
The conduction cooling method can be very convenient if the UHP-1000 can be mounted directly onto a metal chassis as long as the surface is smooth and thinly coated with thermal grease.
 
Verification of the thermal design:

No matter what is the selected solution, here is a simple way to verify that the chosen cooling method is adapted:

Fig 9: Case temperature derating curve
 
The measurement of the case temperature (at Tc point, shown below) after a few hours of operation is a good indicator of the reliability of the cooling design: as long as the temperature does not approach 80-90oC, the thermal design is valid.

Fig 10: Tc point location

Another important factor to take into account is the ambient temperature. For all cooling methods, if the ambient temperature reaches 40-50oC, the user should limit the power drawn from UHP-1000 according to the derating curves. If necessary, it is recommended to upgrade to higher power products to ensure the reliability of the system.

Application examples:

1. Charging applications:

The versatility of UHP-1000 allows its use for many charging applications: from lead-acid batteries to super-capacitor banks, UHP-1000 can efficiently and reliably adapt to each situation:

Lead-Acid battery:

Below are the ratings of a 12V/200Ah Lead-Acid battery as an example.

 
-Constant voltage charging operation: The constant charging voltage level should be set to 14.4V with the help of the integrated potentiometer or with PV control.

-Constant current operation: According to the battery specifications, the maximum charging current is 60A. Hence, PC control should be set at 60A by applying an external voltage of 4.5V to PC pins.

-Floating operation: The charging voltage should be reduced to 13.6V here. This can be done by tuning down the integrated potentiometer SVR or, by applying an external voltage of 5.6V to PV pins.

Supercapacitor banks:

Regarding super-capacitor banks, attention should be brought to the maximum capacity of the bank. If the capacity of the bank exceeds these values, the power supply will enter Under Voltage Protection mode because of the low voltage imposed at the beginning of the process by the discharged bank, and will shut-down after 3s.


Table 1: Supercapacitor bank maximum capacity
 
Note 1: Values given for a constant current charging of 110% of the rated output current, with the capacitor bank directly attached to UHP-1000, without current limiting device.
 
2. Heating element:

The amount of heat generated by the heating element can be conveniently controlled using PV function. Indeed, the power dissipated by a resistive element is P=V²/R, so the output voltage is directly correlated to the amount of heat produced. This can be particularly useful when the system needs different heating stages, with different temperatures.

Also, most heating elements have the characteristic of presenting an extremely low resistance at start-up which will lead to high inrush current. UHP-1000 automatically clamps the inrush current at 105-120% of the rated output current as long as it lasts less than 3s. Otherwise, the unit will enter Overload Protection mode and will shut down after 3s.