文: Mathis Picot /Technical Service Center
mathis@meanwell.eu

UHP系列為明緯專為無風扇解決方案所開發出的產品線，獨特的無風扇設計能解決過去電源風扇應用在多塵環境下，吸入粉塵所造成的故障問題，可有效減少設備維護頻率以及成本開銷，同時也非常適合使用於具有安靜訴求的場合與室內設備，尤其UHP-1000(圖一)的功率設定與彈性功能設計，產品應用場合非常廣泛的，本文特別將以UHP-1000當作範例，深入探討其相關應用。

由於UHP-1000強大與多元的控制介面與彈性化散熱介面選擇，產品應用範圍非常廣泛，可以從一般工控恆壓到充電恆流應用。半灌膠設計使UHP-1000成爲堅固、纖薄的無風扇電源，也可抵抗震動和灰塵的進入，並具有相當長的使用壽命。符合IEC / EN / UL 62368-1的國際安規要求，並可根據客戶需求提供EN61558-1和家庭安規EN60335-1的申請。除了可以在-30℃ ~ +70℃的寬溫度範圍內工作，並能用在全範圍的AC輸入電源，同時也可在5000m的高海拔區域操作。另外，UHP-1000 有12V、24V、36V和48V四個機型，輸出電壓範圍寬廣，可以適用於各種系統。
 

   
圖一：UHP-1000         

可編程輸出功能:

除了DC OK信號、Remote ON-OFF 控制和12V輔助輸出功能外，UHP-1000還包括可編程輸出電壓（PV）跟可編程輸出電流（PC）功能；進而能採用固定或動態控制的寬輸出電壓範圍，以適合大多數的應用，例如:熱控腔會感應溫度並調節電源輸出電壓以相應地控制加熱元件，達到熱控腔控溫或定溫的功能，或者可編程電流應用於充電應用或LED相關應用。

如圖二輸出電壓控制曲線所示，UHP-1000輸出電壓可以透過直流電壓訊號2.5V至6V，讓輸出電壓於額定電壓50％至120％範圍內進行調整。在使用PV功能時，最大輸出電流限制會根據設定的輸出電壓進行自動調整，建議客戶依輸出電壓需求執行相關降載要求，以防止產品過熱或觸發保護。

圖二: PV調整曲線與輸出電流自動調整曲線
 

如圖三所示，PC功能最低可將電流限制為額定輸出電流的20%，例如:馬達或電容性負載等許多應用會產生高浪湧電流，PC功能對於將浪湧電流限制在使用者認可的某個恆定電流值，以防止觸發過電流保護。另外，對於需要恆定電流操作的應用，例如LED照明或充電系統，透過PC功能控制，可達到亮度控制與充電曲線設定。

圖三:  PC調整曲線
 

同步使用PV和PC功能的組合，使得UHP-1000的應用更靈活，適用於充電應用（參考應用示例1）以及有高浪湧電流系統的應用（參考應用示例2）。

振動和衝擊：

UHP-1000的機構採用鋁製外殼以及灌半膠的設計，形成堅固而可靠的結構，能夠承受5G振動，滿足汽車行業對沖擊和振動方面高抵抗力的要求。

散熱注意事項和設計指南：

鋁製外殼與灌半膠特殊設計，可以有效地散發產生的熱能，同時排除使用風扇的需求，這大大提高UHP-1000的使用壽命和可靠性，同時使其適用於對噪聲敏感的應用以及灰塵多的環境。透過優化元件散熱方式，實現41mm的薄型設計以及高功率密度。其纖薄的外形可於有限空間應用。為了充分利用UHP-1000的高功率密度優勢，應特別注意其冷卻方式，客戶需了解每個冷卻方式的特點與注意事項，選擇合適的散熱方式。

1. 自然對流冷卻：

圖四: 自然對流的降載曲線

自然對流冷卻是消散電源運轉過程中產生之熱能的最便捷方式，由於沒有使用風扇，因此不會發出吵人的噪音，同時電源內部也不會有灰塵被吹入。根據圖四的降載曲線，該解決方案適用於額定功率低於60-70％的負載，為了使氣流在設備中確實流通，應注意其上方的間隙距離要有10cm，對於更高的功率需求，強制風冷和傳導冷卻則較為合適。
 

2. 強制風冷：

圖五：強制風冷的降載曲線

如果需要更高的功率，則可以選擇強制風冷；在UHP-1000的側面增加一個外部風扇將可以達到更好的散熱效果，建議的安裝方式如圖六所示。

圖六: 風扇配置方式

該解決方案可以利用您系統本身已經存在的風扇，只要它可以提供足夠的風流，將設備維持在圖五降載曲線範圍內的溫度即可。

3. 傳導冷卻：

圖七: 傳導冷卻的降載曲線

這種冷卻方法特別適合於具有高功率需求以及不希望使用風扇的情況。如UHP-1000應該鎖附到較大的金屬板上，以幫助設備吸收和散發熱能，金屬板的材質有許多種可選擇使用，圖八顯示為使用鋁板的參考設計。

圖八: 散熱鋁板配置
 

如果UHP-1000可以直接安裝在系統金屬機箱上，只要表面光滑且組裝塗上導熱膏，那麼傳導冷卻的方式會非常方便。
 

散熱設計驗證:

無論選擇哪種解決方案，建議都必須做溫度驗證，以下是溫度驗證範例:

圖九: Tcase溫度曲線
 

將機器運轉待溫度穩定後，量測外殼Tc溫度（在tc點處，如圖十所示）可以很好地確認冷卻設計的可靠性，只要Tc最高溫度溫度未達到80-90oC，就表示系統散熱設計是有效。

圖十: Tc位置圖

要考慮的另一個重要因素是環境溫度。對於所有冷卻方法，如果系統環境溫度達到40-50^oC，則用戶應根據降額曲線自行限制UHP-1000的使用功率，必要時建議升級產品功率，以提升系統信賴性。

應用實例：

1. 充電應用：
UHP-1000的多功能性可應用於許多充電系統，從鉛酸電池到超級電容器組，UHP-1000都可以有效並可靠地適合各種充電應用。

鉛酸電池:
此案例應用在12V/200Ah鉛酸電池的充電，鉛酸電池的規格如下。

-充電電壓：可以透過VR或PV功能，將充電電壓位準調整到14.4V。
-充電電流：依據電池規格，最大充電電流為60A，因此可以透過PC功能，在PC腳位上外加4.5V外部電壓，將充電電流設定為60A。
-浮充階段：此階段的充電電壓應降低至13.6V。這可以透過VR調低或PV腳位外加5.6V的外部電壓來實現。

超級電容器組:
此外，對於超級電容器組充電應用，應注意其最大容量；如果它的容量超過表一的數值，則由於在充電過程開始時，施加的電壓太低，電源將進入欠壓保護模式並在3秒後關閉。

表一: 超級電容器組最大容量限制

注解 1: 該值是針對額定電流為110％的恆定電流充電給出的，電容器組直接連接到UHP-1000，而沒有限流裝置。

2. 加熱元件：
 

透過PV功能可以很方便地控制加熱元件所產生的熱能。事實上，電阻元件的損耗功率P= V²/R，因此輸出電壓與產生的熱能是有直接的關係。當系統需要不同的溫度與加熱階段，PV功能尤其有用。此外，大多數加熱元件的特性是在啟動時呈現極低的阻抗，當電源供應器提供電壓時，這會造成高浪湧電流。UHP-1000會透過內部電流限制電路，會自動將浪湧電流箝制在額定輸出電流的105~120％；當湧浪電流持續時間較長時，產品將進入過載保護模式，並在3秒後關閉。如果加熱元件可於3秒內利用105%~120%額定電流加熱至設定阻抗或初始溫度，且不觸發產品過載保護，客戶可以將額定功率為1000W的48V加熱元件直接連接到UHP-1000-48應用。如果加熱時間不足以讓阻抗升高至不觸發過電流保護，則建議可以另外搭配產品PV/PC功能應用。