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안전 및 성능 

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대부분의 AC/DC 전원 공급 장치(PSU)는 개방 프레임 형식으로 제공되므로 완전히 밀폐되어 있지 않다. 이러한 접근 방식은 일반적으로 장비 내부에 설치되므로 강제 공기 냉각이 가장 효율적으로 사용되어 비용을 절감할 수 있다. 이러한 장치는 전문적인 설치가 필요하기 때문에 구성 요소로 간주되며, 따라서 안전을 위해 제품 하우징에 의존하고 요소로부터 보호한다.
U 채널 형식은 이 테마의 변형이며 U자형 알루미늄 섀시에 장착된 개방형 프레임 PSU로 구성된다. 알루미늄에는 일반적으로 여러 개의 미리 드릴링되고 나사산 구멍이 있어 설치자가 다양한 장착 옵션을 사용할 수 있다. 열 관리 측면에서 PSU 제조업체는 주요 반도체를 알루미늄에 열 접착할 수 있으므로 열 전도 경로가 개선되어 PSU의 성능과 신뢰성이 모두 향상된다.
개방형 프레임과 U-채널을 포함한 모든 유형의 PSU 설치를 계획할 때 설계자는 몇 가지 요소를 고려해야 한다. 불가피하게 안전, 열 관리 및 전자파 적합성(EMC)이 고려 사항의 상위에 오르게 된다.
PSU 사양은 복잡할 수 있으며, 특히 라인 전압 및 온도 효과의 변화를 위해 도출할 때 가장 좋은 정격과 현실 사이의 차이를 분석하는 것이 고려된다. 양질의 PSU는 90VAC의 낮은 라인(입력) 전압으로 출력 저하를 고려할 필요가 없으며 최소 50도의 외부 온도에서 최대 전력을 유지할 수 있다. 설계 마진이 적은 PSU는 라인 전압이 90VAC까지 떨어질 경우 20%의 감소가 필요할 수 있으며, 40도 이상의 온도에서 최대 전력을 공급하는데 어려움을 겪을 수 있다. 이 모든 것이 디자이너를 예기치 않게 붙잡을 수 있고 최종 애플리케이션의 성능을 제한할 수 있다.

안전이 가장 중요
개별 PSU의 전력 및 전압 정격 및 최종 애플리케이션과 관련하여 의료 애플리케이션이 가장 엄격하기 때문에 안전 고려 사항이 복잡해 보일 수 있다. 표준은 공급의 모든 면에 유지되어야 하는 크리프트 및 간극 거리를 정의한다. 이 거리는 PSU의 주요 부분과 접지된 금속 부분 사이의 거리와 관련이 있다. 예를 들어, 클래스 I 시스템은 이 거리를 2mm(의료용 용도의 경우 2.5mm)로 요구한다. 컴플라이언스를 보장하기 위해 절연체가 PSU 마운팅에 추가되는 경우가 많다.
클래스 I 급의 PSU는 안전 접지 연결을 제공하며, 이는 전체 시스템의 안전 시스템의 중요한 부분이기 때문에 장비 안전 접지에 적절히 연결되어야 한다. 이를 달성하기 위한 몇 가지 방법은 일반적으로 AC 주전원 입력 커넥터, '스페이드'형 고정 장치 커넥터 또는 마운팅 부시 중 하나를 사용하는 것이다. 시스템에 대한 취약성과 전자파 노이즈요구 사항을 달성하기 위해 몇 가지 접지 지점을 제공하는 것은 드문 일이 아니다. 이러한 요구 사항은 옵션이 아니며 적절한 성능과 법규 준수를 보장하기 위해 모두 연결되어야 한다.
클래스 II 시스템에서 간격 거리는 일반적으로 클래스 I보다 크다. 단, 비금속(따라서 비전도성) 하우징의 사용으로 인해 간격은 부정되는 경우가 많다.

그림 1. 오픈프레임 파워서플라이

U-채널 PSU를 사용하는 한 가지 좋은 이유는 U-채널 PSU가 안전을 둘러싼 많은 문제를 상당히 단순화할 수 있기 때문이다. 예를 들어 PSU 제조업체는 안전 접지를 섀시에 접합한다. 설치 관리자는 종종 제공되는 고정 장치만 사용하여 섀시를 장비 인클로저에 접합하면 된다. 제조업체도 개방 프레임 PSU를 채널에 장착하고 모든 간극이 처리되므로 설치자는 PSU 어셈블리의 상단과 U 채널의 단부에 주의하여 이들 단부가 노출되고 안전 거리가 위반되지 않도록 해야 한다.

그림 2a 와 2b. U 채널 전원장치 커버형과 커버가 없는형태

U 채널은 안전을 보다 용이하게 할 뿐만 아니라 설치 방법도 훨씬 단순하게 해줍니다. 베어 PCB를 장착할 때는 재료비 항목(BOMM)에 스탠드오프 및 기타 하드웨어를 추가하고 소싱해야 한다. 그에 비해 나사산 장착 위치에서는 U-채널 PSU가 표준 기계 나사를 필요로 한다. 그러나 제조업체는 최대 나사 길이에 대한 지침을 제공하며, 안전에 중요한 기울기 및 간극 거리가 저하되지 않도록 이 지침을 준수해야 한다.
U 채널은 장비 섀시에 직접 고정할 수 있고 PSU 제조업체는 열 발생 전력 반도체를 섀시에 접합하므로 저저항 열 경로가 외부로 생성된다. 이렇게 하면 구성 요소와 인클로저 내부의 온도가 감소하여 구성 요소의 수명이 길어진다.
모든 유형의 PSU에는 입력 퓨즈가 포함되며 의료 용도를 위한 PSU에는 흔히 일반적인 안전을 위해 필요한 퓨즈 2개가 포함된다. 치명적인 고장이 발생할 경우 방화 수단으로 사용되기도 한다. 대부분의 경우 퓨즈는 PSU의 필수 부품이며 사용자가 교체할 수 없다
퓨즈를 주제로, 대부분의 개방 프레임과 U-채널 PSU는 PSU 자체의 입력으로 라인 입력을 전달하기 위해 배선이 필요하다. 관련 표시기, 커넥터 및 스위치와 함께 케이블은 치명적인 고장의 가능성이 있는 또 다른 영역이므로 퓨즈를 사용해야 한다.
출력 배선을 선택할 때 설치자는 PSU의 정상 정격 출력뿐만 아니라 고장 조건에서 존재할 수 있는 전류 및 전압 수준을 고려해야 하며, 그에 따라 배선을 선택하여 모든 조건에서 안전성을 유지해야 한다.
최종 안전 고려사항은 PSU가 열 정격을 유지할 수 있도록 장착되었는지 확인하는 것이다. 대부분의 안전에 중요한 구성 요소는 최대 온도 등급을 준수해야 한다.

EMC 노이즈 성능
접지 연결은 안전을 위해 중요하지만, EMC에 대한 규제 준수에서 중요한 역할을 하기 때문에 많은 개방형 프레임 PSU가 두 개 또는 세 개의 접지 지점을 갖게 된다. 입력(클래스 I 시스템에서) 근처에 있는 지점은 Y-캐패시터(공통 모드 필터링 캐패시터)를 통해 선과 중성선을 접지시키고 안전 접지 연결을 제공한다. Y-캐패시터의 주요 역할은 (노멀 모드 인덕터와 함께) 전원 공급기 내에서 전압 스파이크로 인한 노이즈 스파이크를 줄이는 것이다.
출력 단계에는 전류 관련 노이즈를 줄이기 위한 커먼 모드 캐패시터 필터도 있으며, 두 번째 접지 연결은 이러한 노이즈를 직접 접지할 수 있다. 이러한 필터는 EMC 성능에 매우 중요하므로 모든 접지 지점이 접지 측 낮은 임피던스 경로와 연결되어야 한다.
금속 하우징을 사용하는 모든 애플리케이션에서는 이를 간단하게 달성할 수 있지만, 하우징이 플라스틱과 같은 비전도성 재료로 만들어졌더라도 EMC 관련 접지 요구 사항은 그대로 유지된다. 이러한 경우 설치자는 이러한 점을 접지할 수 있는 다른 방법을 찾아야 한다.
PSU 제조업체는 복잡한 것처럼 보일 수 있지만 데이터 시트에 접지(또는 함께 통신)해야 하는 지점을 항상 식별하므로, 이는 표시된 바와 같이 좋은 정보 출처입니다

그림 3. 장착 지점 접지 연결부를 보여주는 개방형 프레임 공급 장치의 기계적 도면

이상적으로는 PSU를 접지된 금속 플레이트에 고정하여 배선 없이 연결한다. 비정상적인 경우에는 이 방법이 불가능하거나 실용적이지 않을 수 있으므로 와이어가 사용된다. 와이어를 사용하는 경우 저임피던스를 보장하고 기생 요소가 필터 성능에 영향을 미치지 않도록 조심스럽게 지정(또는 과다 지정)해야 한다. 멀티 스트랜드 케이블은 일반적으로 좋은 옵션이지만 플레이트에 직접 장착하는 것이 항상 선호된다
U 채널 PSU를 사용하는 경우 PSU 제조업체는 일반적으로 장치에 섀시에 연결된 모든 관련 접지 연결을 제공하여 설치자의 작업을 단순화한다. 섀시가 인클로저에 양호한 전기 연결을 유지하려면 전도성 나사를 사용하여 기생 요소도 최소화해야 하므로 여러 장착 지점을 사용해야 한다.

그림 4. 고정 장치 및 연결부를 상세히 설명하는 U 채널 전원 공급기의 일반적인 기계적 세부 정보

주전원 공급 및 출력에 사용되는 케이블은 방사할 수 있으며 노이즈에 취약한다. 이러한 이유로, 시스템 소음을 법규에서 허용하는 수준 이상으로 증가시킬 수 있는 스위칭 노이즈를 포착할 수 있는 PSU의 개방적인 측면을 방지하기 위해 정돈되게 배선해야 한다.

온도 관련 고려 사항
PSU에 의해 전달될 수 있는 전력의 양은 PSU가 배치되는 환경, 장착 방법 및 움직이는 공기의 가용성에 따라 크게 달라질 수 있다. 그 결과 PSU 제조업체는 여러 가지 상황에서 제품을 선별하고 있으며, 개방형 프레임과 U-채널 PSU의 경우 대류 및 강제 공기 냉각에 대한 등급을 제공하는 경우가 많습니다.
각 애플리케이션과 설치는 서로 다르며 동일한 PSU가 다른 애플리케이션에서 매우 다르게 수행될 수 있으므로 각 애플리케이션은 완전히 평가되어야 한다. 설치자는 PSU가 장착되는 위치와 그 방향, 그리고 그 주변의 공간 봉투와 강제 공기 흐름에 PSU를 배치할 것인지 여부를 고려해야 한다. 최대 부하도 근처의 열 발생 구성 요소와 같은 요인이다.
시스템 프로토타이핑 중에 핵심 안전 구성 요소의 온도를 점검해야 한다. 가급적 적외선 온도계와 같은 비접촉적 방법을 사용하는 것이 좋다. 열전대는 열원인으로 작용하여 측정에 영향을 줄 수 있다. 대부분의 제조업체는 몇 가지 주요 구성 요소, 위치 및 최대 온도(모든 작동 조건에서)를 식별하여 안전 등급을 초과하지 않고 예상 구성 요소 수명에 부정적인 영향을 주지 않도록 보장한다.
개방형 프레임과 U-채널 PSU는 일반적으로 팬을 포함하지 않으므로, 주된 저하 메커니즘은 대형 전해액 캐패시터이다. 제조업체는 데이터시트에 이러한 구성 요소에 대한 서비스 수명 추정치를 제공하는 경우가 많다.

그림 5. 상시 작동에 대한 안전 한계와 예상 서비스 수명를 보여주는 표와 그래프

이러한 추정치는 최대 온도 정격 및 PSU 정상 작동 시 예상되는 온도에서 제조업체의 캐패시터의 설계 수명을 모두 고려한 것이다.
리플 전류와 같은 요인은 캐패시터 수명에 영향을 미치지만, 이는 수량화하기 어렵기 때문에 그 영향은 일반적으로 무시된다. 대신, Arrhenius 관계는 수명을 작동 온도와 연관시키는 데 사용된다. 간단히 말해서, Arrhenius는 온도가 10°C 상승할 때마다 기대 수명이 반으로 줄어든다고 볼 수 있다. 따라서 PSU의 작업 기간 동안 이러한 주요 구성 요소의 온도를 관리하는 것이 매우 중요한다.

글 / 개리 보콕(Gary Bocock), XP Power 테크니컬 디렉터