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了解电源降额曲线

2019年11月5日作者Ron Stull - 6分钟阅读
最后更新于 2024年1月16日

什么是电源降额？

降额是指系统或组件以低于其正常工作范围的值运行。对于电源而言，输出电流（以及相应的功率）通常会因为特定的输入电压和热条件而出现降额，以确保电源的安全可靠操作。

温度会影响所有组件。可能引起组件改变行为，且在足够高的温度下会引发组件故障。由于输入电流的增加，低输入电压也可能导致电源承压过大。为了避免不必要的行为和潜在故障，组件和系统都设置了热限值。

电源常常附带降额曲线，告知用户电源在指定输入、输出和环境条件下安全运行所需的散热条件。了解这些曲线将帮助用户选择合适的电源并确保电源在其应用中可靠地运行。在这篇文章中，我们将介绍什么是降额，为什么有时候需要降额，以及如何理解数据表中的降额曲线。

考量输出功率降低

电源中有很多组件都承受巨大的热应力。高电流和操作频率导致多个组件的温度高于环境温度并且接近其热限值。组件温升(T_rise)高于环境温度(T_ambient)的量取决于两个变量（如等式1所示）；耗散的功率（p_d，测量单位为瓦特）及其环境热阻 (R_θ，测量单位为°C/瓦特)。

T_rise = P_d · R_θ

公式1：温升

实际组件温度(T_component)可以通过环境温度加上温度升高幅度来计算，如等式2所示。

T_component = T_rise + T_ambient

公式2：组件温度

从式中得出，热阻抗或功耗的任何变化都将导致组件温度按比例发生变化（等式3）。

例如，假设一个桥式整流器（从接头到环境的热阻抗为150°C/W）耗散0.5W功率并在50°C的环境温度下运行，我们预计组件温度为125°C（等式3）。

T_rise = 0.5W · 150 °C/W = 75°C
T_component = 75°C + 50°C = 125°C

公式3：桥式整流器温度

现在如果需要在保持组件温度不变的情况下，将环境温度提高至70°C，就必须降低热阻抗或功耗。对于电源用户，有几种方法可以控制这两个变量，以达到上述要求。

功耗可通过负载控制。增加负载将增加电源内部的许多组件耗散的功率，同样降低负载也将降低许多组件耗散的功率。提高输入电压还可以降低电源输入端上的某些组件消耗的功率。

可通过对电源实施强制风冷来控制热阻抗。增加风量将会降低热阻抗。

读取热降图

由于计算整个电源的功耗、热阻抗和接头温度具有复杂性，制造商会向用户提供热降图来简化问题。这些图表是通过测试生成的，旨在向用户展示如果组件在运行的同时保持不超过热限值，使用这些组件所在的环境温度会达到多高。即便是这种简化图表，也会有各种不同的图表呈现方式，而且各种电源包含的信息也会有所不同。

最常见的图表会显示允许的负载与环境运行温度。图1显示了不配备强制风冷（通常称为“自然对流）的CUI电源的降额曲线。它告诉用户电源满载运行时，环境温度最高50°C的情况下不会造成内部组件发生热故障，或被热保护装置（若有）关机。

环境温度超过50°C，电源会就会出现热故障风险，除非负载降至等于或低于热降曲线的水平。例如，如果环境温度为60°C，则负载必须降至额定功率的80%，才能确保安全运行。在许多情况下，就像在本例中一样，减少负载的好处只能到此为止，最终都会达到一个硬限值，超出此限值，电源就不应在任何负载下运行(图1中的情况为70°C)。

图示为允许的负载与环境工作温度的关系。 — 图1：图示为允许的负载与环境工作温度的关系

有时会提供多条曲线，对应不同的强制风量。图2显示VHK100W系列DC-DC转换器的降额曲线。在这种情况下，转换器在满载运行时的温度取决于提供了多少强制风量。在没有强制风量（自然对流）的情况下，设备可满载的最高温度为50℃。然而，如果提供3.5m/s的强制风量，则可以满载运行，直至环境温度为78°C为止。在这些情况下，应仔细注意用来描述强制风量的单位。图2给出了两种单位，即LFM和m/s，但通常只提供一种单位，而且各种电源可能采用不同的单位。

图示降额曲线展示了CUI电源承受的不同强制风量。 — 图2：显示CUI电源承受的不同强制风量的降额曲线。

学习如何比较多个输入范围曲线

有时热限值与施加的输入电压有关。在这些情况下，您将看到对应不同输入范围的多条曲线。图3显示VMS-300A系列自然对流下的降额曲线。对于此类设备，在考虑热降之前，只能在更高的输入电压下达到最大负载。如果在90Vac和200Vac之间以自然对流方式运行该电源，则输入功率必须降至不超过200W的水平。如果在220Vac和264Vac之间运行，负载可以达到250W。

图示CUIVMS-300A系列底架安装AC-DC电源在自然对流条件下的热降曲线。 — 图3：VMS-300A在自然对流条件下的热降曲线

上述热降曲线（图3) 不考虑环境温度或施加强制风冷的情况。在这种情况下，除了相对于输入电压施加的热降处理外，还将提供额外的热降曲线，以显示根据温度和/或强制风冷需要实现多少热降。我们为VMS-300A系列用户额外提供了图4所示的曲线。左侧的曲线显示了从图3中所得的两个电压范围自然对流下的负载和环境温度之间的关系，而右侧图4中的图形显示在施加10 CFM的强制风量后的同类信息。对于这种电源，施加强制风量允许用户在300W的满载情况下工作，无需考虑输入电压。