Brug modulære multi-output AC/DC-forsyninger til fleksibilitet og konfigurerbarhed

Systemdesignere og integratorer er afhængige af veldesignede, linjedrevne AC/DC-strømforsyninger til at levere de nødvendige spændingsskinner til applikationer og til at gøre det med nøjagtighed, stabilitet og hurtig forbigående respons blandt andre ydeevne faktorer. Mange systemer kræver, at AC/DC-forsyningen samtidig leverer flere uafhængige udgangsspændinger (skinner). Disse forsyninger skal også opfylde flere lovgivningsmæssige standarder, der dækker elektromagnetisk interferens (EMI), radiofrekvensinterferens (RFI), effektivitet og grundlæggende brugersikkerhed. For designere af medicinske applikationer er der også yderligere standarder vedrørende tilladt lækstrøm og flere måder til patientbeskyttelse (MOPP).

For at imødekomme behovene i disse applikationer er der flere output-forsyninger, der tilbyder en række forudindstillede udgangsspændinger og strømme. At have disse forudindstillede AC/DC-forsyninger med flere output kan imidlertid komplicere stykliste (BOM) og lagerstyring, når behov ofte ændres. De begrænser også fleksibiliteten, hvis forskellige multifunktionsforsyninger er nødvendige for forskellige produkter, især for specialiserede slutprodukter med lavt volumen. Et bedre alternativ for designere i mange tilfælde er at bruge en modulær AC/DC-tilgang.

Denne artikel vil se på funktionerne og fordelene ved denne tilgang til medicinske, industrielle og testapplikationer, især hvor der er behov for unikke eller brugerdefinerede arrangementer. Derefter introduceres højtydende AC/DC modulære forsyninger fra MEAN WELL Enterprises Co., Ltd. og vis hvordan de bruges.

Forsyningskonfigurationer til multi-output krav

Det er normalt, at et system kræver flere DC-skinner til intern brug såvel som til dets eksterne belastning. For eksempel kræver processorcentreret logik og digitale kredsløb normalt lave, encifrede forsyningsskinner, mens belastningen og dens driver ofte kræver højere spændinger eller forskellige strømværdier.

I mange situationer er den specifikke liste over nødvendige DC-udgangsspændinger og deres maksimale strømværdier ikke faste og uændrede af to grunde:

• Nogle af disse skinnespændinger og strømme skal ændres, når det samme grundlæggende design anvendes på tværs af forskellige belastninger, såsom en lille motor, LED-array eller medicinsk-scanning system i forhold til større versioner af samme type.
• Selvom produktet eller produktfamilien har faste DC-outputkrav, har virksomheder ofte flere relaterede produkter i deres portefølje, hvor hver har brug for et andet leveringsarrangement.

For at imødekomme disse forskellige behov har designere to muligheder:

• De kan bruge separate multi-output forsyninger, der anskaffes med de nødvendige udgangsspændinger til hver version af produktet. Brug af sådanne ikke-konfigurerbare forsyninger tilføjer lagerstyring og forsyningskædeproblemer og medfører tilknyttede ineffektiviteter i prognoser, bestilling, lagerføring og leveringstider.
• De kan bruge en blanding af AC/DC-forsyninger (moduler) med enkelt output for at imødekomme behovene i hver produktversion. Dette forenkler opgørelses- og forsyningskædeproblemerne til en vis grad, men kan også øge udfordringerne ved design og montering. Årsagen er, at de forskellige leverancer også kan have forskellige fodaftryk, volumener og monteringsovervejelser. Resultatet er, at en omlægning af den komplette produktsamling kan være nødvendig for hver unik konfiguration.

Selvom dette ligner et mindre problem "på papiret" (figur 1), kan den praktiske effekt være en uønsket "krusningseffekt" af konsekvenser.

Figur 1: Forskellen mellem at bruge en enkelt multi-outputforsyning versus flere enkelt output-forsyninger ser beskeden ud, men de praktiske konsekvenser for forsyningskæden og produktionsprocessen kan være store. (Billedkilde: Bill Schweber)

Medicinske applikationer tilføjer yderligere krav

Den bedre mulighed afhænger af situationens detaljer samt balancen mellem kompromiser og prioriteringer i forhold til designmålene. Der er dog tilføjede begrænsninger for de mange medicinske applikationer, der involverer fysisk kontakt med en patient og et instrument, der fungerer fra en AC/DC-forsyning, hvilket påvirker valget mellem de to nævnte muligheder.

Der er reguleringsmandater, primært IEC 60601-1, ud over de andre standarder, der regulerer forsyninger, der anvendes i bredere applikationer, såsom IEC 62368-1 til informations- og computerteknologi (inklusive forbrugerprodukter), der fuldstændigt erstattede eksisterende IEC 60950-1 og IEC 60065-standarder i december 2020.

Ved valg af strømforsyning skal designere overveje designkravene samt reglerne. For eksempel er der spørgsmålet om lækstrøm, som er den strøm, der strømmer gennem den beskyttende jordleder til jorden. I mangel af en god jordforbindelse - og standarden antager, at forbindelsen muligvis mangler - er det strømmen, der kunne strømme fra enhver ledende del eller overfladen af ikke-ledende dele til jorden, hvis en ledende sti var tilgængelig, sådan som en menneskelig krop, som udgør en mulig livstruende fare.

Til medicinske applikationer er den tilladte maksimale lækstrøm meget mindre end den er for andre generelle applikationer. Årsagen er, at denne strøm kan forårsage hjertestop, hvis den strømmer gennem kroppen og især brystet, selv ved meget lave niveauer i sub-milliamp-området. Under "normale" driftsforhold vil denne strøm være nul eller næsten så, men standarden antager, at der kan opstå en fejl og således inducere strøm gennem kroppen.

Hvordan påvirker dette valget mellem de to måder at besvare behovet for flere AC/DC-forsyningsskinner? Selvom den anden mulighed synes attraktiv - og det kan være i nogle tilfælde - medfører den en subtil, men alligevel vigtig teknisk overvejelse på grund af lovgivningsmæssige mandater. Den lovgivningsmæssige standard måler lækstrøm for hele slutproduktet, ikke for de enkelte bestanddele. Selvom en individuel multi-output forsyning muligvis har lækstrøm under det tilladte maksimum (figur 2), kan summen af lækstrømme for flere single-output forsyninger overstige denne grænse, selvom hver enkelt output forsyning er under den (Figur 3).

Figur 2: Den mest almindelige måde at tilvejebringe flere DC-udgange på er ved hjælp af en enkelt multi-output AC/DC-forsyning med forudindstillede udgangsspændingsværdier og en specificeret maksimal lækstrøm. (Billedkilde: MEAN WELL)

Figur 3: Et alternativ er at levere flere DC-udgange ved hjælp af et sæt individuelle AC/DC-forsyninger med en enkelt udgang, men deres lækstrømme vil tilføje sig og kan overskride tilladte grænser. (Billedkilde: MEAN WELL)

For det andet er der et unikt krav i mange medicinske systemer til to MOPP'er i stedet for kun en enkelt MOPP; dette er et ekstra krav for at yde yderligere forsikring mod patientskader, hvis den ene MOPP fejler. Der er også tilsvarende krav til midler til operatørbeskyttelse (MOOP).

Mens der er forskellige måder at implementere MOPP i produktets kredsløb uden for delsystemet til strøm, opnås det almindeligvis inden i delsystemet til produktet ved hjælp af en isolationstransformator (transformere, der opfylder medicinsk-specifikke regulatoriske standarder, anses for at være en MOPP). Fraværet af et jordretur fra transformatorens sekundære side sammen med andre mandater tilvejebringer en MOPP, mens isoleringen fra den primære/sekundære er en anden MOPP (figur 4).

Figur 4: Den isolerede transformer og det primære-sekundære viklingspar giver MOPP i AC-drevne forsyninger. (Billedkilde: MEAN WELL)

Der er også standarder, der definerer effektivitetskrav, der føjer til udfordringen. Som med lækstrøm ser disse standarder på den samlede systemeffektivitet under definerede driftsforhold og effektniveauer. Selvom individuelle leverancer i et system med flere jernbanesystemer lever op til standarderne, er den godkendende myndighed baseret på effektiviteten af det samlede system, ikke de underliggende leverancer som vurderet individuelt.

Brug den modulære tilgang til strømforsyninger

Indtil videre har der været to valgmuligheder for flere skinner: Den ene bruger en enkelt multi-output AC/DC-forsyning med forudindstillede, faste udgange og dermed begrænset fleksibilitet; det andet ved hjælp af et sæt forskellige AC/DC-forsyninger med en enkelt udgang, der blandes efter behov.

Men der er en anden mulighed: MEAN WELL har udviklet en modulær AC/DC-arkitektur, der kombinerer fleksibiliteten i outputkonfiguration, samtidig med at den overstiger alle relevante lovgivningsmæssige standarder, herunder medicinsk. BETYDNING GODT system består af et modulært chassis med add-in, brugervalgbare DC-outputmoduler (figur 5).

Dette chassis fås i to kapaciteter: NMP650-CEKK-03, et fire-kanals (slot) konvektionskølet chassis med en nominel værdi på 650 watt (W), og NMP1K2, et seks-kanals, tvungen luft (blæser) kølet chassis, der er klassificeret til 1200 W. Begge chassis er i et 1U slankt mekanisk design, der passer til stramme pladsbegrænsninger (1U svarer til 1,75 tomme/44,45 millimeter (mm) rackhøjde).

Figur 5: MEAN WELL-systemet består af et modulært chassis med fire eller seks kanaler plus en familie af uafhængige plug-in DC-outputmoduler. NMP1K2 vises med dækslet fra (øverst) og på plads (nederst). (Billedkilde: MEAN WELL)

Dette chassis indeholder den primære AC-strømslinje isolationstransformator og front-end strømkonvertering/reguleringskredsløb (figur 6). For NMP1K2 justeres blæserhastigheden automatisk gennem sin interne temperaturregistreringsfunktion for at holde kabinettet under termiske grænser, samtidig med at energiforbruget og akustisk støj minimeres. NMP-serien opfylder medicinsk sikkerhedscertificering i henhold til IEC 60601-1 (Primary-Secondary: 2 × MOPP; Primary-Earth: 1 × MOPP) samt IT-industriens regulering IEC 62368-1. Serien opfylder også relevante elektromagnetiske kompatibilitets- (EMC) emissions- og immunitetsmandater, herunder dem, der er specificeret i (men ikke begrænset til) EN61000.

Figur 6: NMP-chassiset tilvejebringer den nødvendige AC-transformator og de første faser af effektkonvertering og kontrolkredsløb. (Billedkilde: MEAN WELL)

Kanalerne (slots) på begge kabinetter er befolket med DC-udgangsmoduler med de ønskede outputklasser, f.eks NMS-240-5, en 5 volt (nominel)/36 amp (A) enhed (figur 7 og figur 8). Andre modeller i modulet med en enkelt udgangsfamilie har 12 volt/20 A, 24 volt/10 A og 48 volt/5 A udgange.

Figur 7: NMS-240-5-modulet til NMP650- og NMP1K2-chassiset leverer 5 volt (nominelt) ved op til 36 A. (Billedkilde: MEAN WELL)

Figur 8: NMS-240-5-modulet på 5 volt/36 A glider ind i en slot i NMP650- og NMP1K2-chassiset. (Billedkilde: MEAN WELL)

For applikationer, der kræver dobbelte DC-udgange fra et enkelt slide-in-modul, tilbyder MEAN WELL NMD-240, et 3 til 30 volt/5 A, dobbeltudgangsmodul (Figur 9).

Figur 9: NMD-240 er et enkelt slot, dobbelt output modul, der kan levere op til 30 volt ved op til 5 A på begge kanaler. (Billedkilde: MEAN WELL)

Yderligere funktioner forbedrer alsidigheden

En strømforsynings ydeevne er kendetegnet ved dens specifikationer for parametre med højeste prioritet såsom udgangsspændingsnøjagtighed, transient og overbelastningsrespons, temperaturstabilitet, linjestyring, belastningsregulering og mere. Der er dog også funktioner, der kan øge anvendeligheden af udbuddet såvel som brugernes tillid. For MEAN WELL NMP650 og NMP1K2 chassiset og deres plug-in moduler inkluderer disse ekstra funktioner:

• Beskyttelse: Kortslutning, overbelastning, overspænding og overtemperaturbeskyttelse er indbygget i alle outputmoduler, hvor sidstnævnte er angivet med et TTL-niveau signaloutput med en maksimal sourcingstrøm på 10 milliamper (mA).
• Ekstraudgang: NMP650-chassiset giver en 5 volt/1,5 A-udgang, mens NMP1K2 giver 5 volt/10 mA, hvilket er nyttigt til supportfunktioner, hvor et modul i fuld størrelse ville være for stort.
• Der er også en funktion, der løser et problem relateret til multi-output forsyninger. I nogle situationer har brugerne brug for en enkelt tænd/sluk-kontrol for hele chassiset og alle udgange, men der er også test- og endda driftssituationer med behov for at styre udgange individuelt og dermed uafhængigt af hver udgangsskinne til/fra. NMP-chassiset har en global tænd/sluk-kontrol, mens hvert DC-udgangsmodul kan tændes/slukkes individuelt ved hjælp af et fjernsignal såvel som ved en lokal switch.
• Endelig er der strøm- og spændingsprogrammerbarhed af modulerne. Ved hjælp af et eksternt 0 til 1 volt DC-signal kan udgangsspændingen for hvert modul programmeres til mellem 50 og 100 % af dets nominelle værdi, og dets udgangsstrøm programmeres fra 40 til 100 %.

Konklusion

Valget af multi-output AC/DC-strømforsyninger indebærer overvejelser om ydeevne, funktioner, funktioner, indkøb og regulatoriske standarder. MEAN WELL NMP-chassiset med et udvalg af plug-in-outputkort giver designere fleksibilitet i outputkonfiguration sammen med funktioner, der nemt og hurtigt kan tilfredsstille forskellige slutbrugerkrav.