Använd modulära flerutgångars AC/DC-matningar för flexibilitet och konfigurerbarhet

Systemkonstruktörer och -integratorer är beroende av välkonstruerade, nätdrivna AC/DC-strömförsörjningar för att få nödvändiga referensnivåer till sina tillämpningar, och att detta sker med noggrannhet, stabilitet och snabb transientrespons, bland andra prestandafaktorer. Många system kräver att AC/DC-matningen samtidigt ger flera oberoende utspänningar (nivåer, skenor). Dessa matningar måste också uppfylla flera regleringsstandarder som täcker elektromagnetisk interferens (EMI), radiofrekvensstörning (RFI), effektivitet och grundläggande användarsäkerhet. För konstruktörer av medicintekniska produkter finns det också andra standarder avseende tillåten läckström och patientskydd - Multiple Means of Patient Protection (MOPP).

För att tillgodose behoven hos dessa tillämpningar finns matningar med flera utgångar som erbjuder en rad förinställda utspänningar och -strömmar. Att ha dessa förinställda AC/DC-matningar med flera utgångar kan emellertid komplicera komponentlistan och lagerhanteringen eftersom behoven ofta ändras. De begränsar också flexibiliteten om olika flera utgångar behövs för olika produkter, särskilt för specialändprodukter med låga volymer. Ett bättre alternativ för konstruktörer är i många fall att använda en modulär AC/DC-metod.

Denna artikel tittar på funktionerna och fördelarna med detta synsätt för medicintekniska och industriella tillämpningar samt testtillämpningar, särskilt där unika eller specialanpassade arrangemang behövs. Sedan introduceras modulära AC/DC-försörjningar från MEAN WELL Enterprises Co., Ltd. och det visas hur de används.

Matningskonfigurationer vid behov av flera utgångar

Det är normalt att ett system behöver flera likströmsnivåer för både internt bruk och för externa laster. Exempelvis kräver processorcentrerad logik och digitala kretsar vanligtvis låga, ensiffriga matningsnivåer, medan lasten och dess drivkretsar ofta kräver högre spänningar och andra strömstyrkor.

I många situationer är den specifika listan över nödvändiga DC-utspänningar och deras maximala strömstyrkor inte fast och oförändrad, av två skäl:

• Några av dessa referensspänningar och -strömmar kommer att behöva förändras när samma grundkonstruktion används med andra laster, exempelvis en liten motor, en LED-grupp eller ett medicinskt scanningssystem jämfört med större versioner av samma typ.
• Även om produkten eller produktfamiljen har fasta DC-utgångskrav har företag ofta flera relaterade produkter i sitt sortiment, där var och en behöver olika matningsarrangemang.

För att uppfylla dessa olika behov har konstruktörer två alternativ:

• De kan använda separata matningar med flera utgångar som anskaffas med de utgångsspänningar som behövs för varje version av produkten. Att använda sådana ej konfigurerbara matningar bidrar till lagerhantering och problem i försörjningskedjan och medför ineffektivitet i prognoser, beställningar, lagerhållning och ledtider.
• De kan använda en blandning av AC/DC-matningar (moduler) med enstaka utgångar för att uppfylla behoven hos varje produktversion. Detta förenklar inventerings- och försörjningskedjeproblemen i viss utsträckning, men kan också bidra till utmaningar när det gäller konstruktion och montering. Anledningen är att de olika matningarna också kan ta upp olika mycket kortyta, volym och vara av varierande monteringsbeskaffenhet. Resultatet är att en omläggning av hela produktmonteringen kan behövas för varje unik konfiguration.

Även om detta ser ut som en mindre fråga "på papper" (figur 1) kan den praktiska effekten bli en oönskad kedjereaktion av konsekvenser.

Figur 1: Skillnaden mellan att använda en enda flerutgångsmatning och flera matningar med enstaka utgångar ser blygsam ut, men de praktiska konsekvenserna för försörjningskedjan och produktionsprocessen kan vara stora. (Bildkälla: Bill Schweber)

Medicintekniska tillämpningar lägger till ytterligare krav

Vilket alternativ som är bättre beror på situationens detaljer, samt balansen mellan olika avvägningar och prioriteringar kontra konstruktionsmålen. Det finns dock ytterligare begränsningar för de många medicintekniska tillämpningar som involverar fysisk kontakt med en patient och ett instrument som arbetar med en AC/DC-matning, vilket påverkar valet mellan de två alternativen.

Det finns regleringar, främst IEC 60601-1, utöver alla standarder som styr matningar som används i bredare tillämpningar, såsom IEC 62368-1 för informations- och datorteknik (inklusive konsumentprodukter), vilket helt ersatte de befintliga standarderna IEC 60950-1 och IEC 60065 i december 2020.

Vid val av strömförsörjning måste konstruktörer ta hänsyn till konstruktionskrav och regelverk. Exempelvis har vi frågan om läckström, vilket är den ström som flyter genom jordledaren till jord. I avsaknad av en bra jordförbindelse - och standarden antar att anslutningen verkligen kan går förlorad - är detta strömmen som kan flyta från vilken ledande del som helst eller ytan på icke-ledande delar till jord om en ledande bana fanns tillgänglig, exempelvis en människokropp, vilket utgör en risk för livsfara.

För medicinska tillämpningar är den tillåtna maximala läckströmmen mycket mindre än för andra allmänna tillämpningar. Anledningen är att denna strömmen kan orsaka hjärtstopp om den strömmar genom kroppen och särskilt bröstet, även vid mycket låga nivåer under milliampere-intervallet. Under "normala" driftsförhållanden kommer denna ström att vara noll eller näraså, men standarden förutsätter att ett fel kan uppstå och därmed inducera ett strömflöde genom kroppen.

Hur påverkar detta valet mellan de två olika sätten att lösa behovet av flera AC/DC-källor? Även om det andra alternativet verkar attraktivt - och det kan det vara i vissa fall - medför det ett subtilt men ändå viktigt tekniskt hänsynstagande grundat på de lagstadgade regelverken. Regelstandarden mäter läckströmmen för hela ändprodukten, inte för de enskilda beståndsdelarna. Även om en enskild flerutgångsförsörjning kan ha en läckström under det tillåtna maximala värdet (Figur 2), kan summan av läckströmmarna för flera utgångar med en utgång överskrida denna gräns, även om varje försörjning med en utgång ligger under den (Figur 3).

Figur 2: Det vanligaste sättet att tillhandahålla flera DC-utgångar är att använda en separat AC/DC-försörjning med förinställda utspänningsvärden och en specificerad maximal läckström. (Bildkälla: MEAN WELL)

Figur 3: Ett alternativ är att erbjuda flera DC-utgångar med hjälp av en uppsättning separata AC/DC-matningar, men deras läckströmmar kommer att adderas ihop och kan överskrida tillåtna gränser. (Bildkälla: MEAN WELL)

För det andra finns det ett unikt krav i många medicintekniska system på två MOPP i stället för bara en MOPP; detta är ett extra krav för att ge ytterligare en försäkring mot patientskada om en MOPP misslyckas. Det finns också motsvarande krav på sätt att skydda operatören (MOOP).

Även om det finns olika sätt att implementera MOPP i produktens kretsar utanför effektundersystemet, uppnås det vanligtvis inom undersystemet för produkten genom att använda en isoleringstransformator (transformatorer som uppfyller medicinska specifika regleringsstandarder anses vara en MOPP). Frånvaron av en jordreturledning från transformatorns sekundärsida, samt andra regleringar, ger en första MOPP, medan isoleringen från den primära/sekundära är en andra MOPP (figur 4).

Figur 4: Den isolerade transformatorn och det primära/sekundära lindningsparet bildar ett MOPP i AC-drivna matningar. (Bildkälla: MEAN WELL)

Det finns också standarder som definierar effektivitetskrav, vilket ökar svårighetsgraden. Precis som med läckströmmen, tittar dessa standarder på den totala systemeffektiviteten under definierade driftsförhållanden och effektnivåer. Även om enskilda matningar i flernivåsystem uppfyller standarderna, baseras godkännandet av lagstiftningen på effektiviteten hos det sammanlagda systemet, inte de underliggande matningarna individuellt bedömda.

Välja det modulära tillvägagångssättet för strömförsörjningar

Hittills har det funnits två alternativ för flera spänningsnivåer: ett med en enda AC/DC-matning med förinställda, fasta utgångar och därigenom begränsad flexibilitet; och ett andra för användning med en uppsättning separata AC/DC-matningar vardera med en utgång, som ska blandas efter behov.

Men det finns ytterligare ett alternativ: MEAN WELL har utvecklat en modulär AC/DC-arkitektur som kombinerar flexibiliteten i utgångskonfigurationen samtidigt som den uppfyller alla relevanta regleringsstandarder, inklusive medicintekniska. MEAN WELL-system består av ett modulärt chassi med tillagda, användarväljbara DC-utgångsmoduler (Figur 5).

Detta chassi finns i två kapaciteter: NMP650-CEKK-03, ett 4-kanaligt (ventil) konvektionskylt chassi med en effekt på 650 watt (W), ochNMP1K2, ett 6-kanaligt forcerat luftkylt (fläkt) -chassi med en kapacitet på 1200 W. Båda chassina har en 1U tunn mekanisk konstruktion för att passa trånga utrymmen (1U motsvarar 44,45 mm rackhöjd).

Figur 5: MEAN WELL-systemet består av ett modulchassi med fyra eller sex kanaler, plus en familj av oberoende instickbara DC-utgångsmoduler. NMP1K2 visas med locket av (överst) och på plats (nederst). (Bildkälla: MEAN WELL)

Detta chassi innehåller den primära AC-nätisoleringstransformatorn och front-end-effektomvandling/regleringskretsar (Figur 6). För NMP1K2 justeras fläkthastigheten automatiskt genom sin interna temperaturdetekteringsfunktion för att hålla chassit under de termiska gränserna, samtidigt som energianvändningen och det akustiska bruset minimeras. NMP-serien uppfyller medicinsk säkerhetscertifiering enligt IEC 60601-1 (primär-sekundär: 2 × MOPP; primär-jord: 1 × MOPP), samt IT-branschens regelverk IEC 62368-1. Serien uppfyller också relevanta EMC-emissioner och immunitetsregler, inklusive de som anges i (men inte begränsat till) EN61000.

Figur 6: NMP-chassit tillhandahåller den nödvändiga AC-nättransformatorn och de första stegen i effektomvandling och styrkretsar. (Bildkälla: MEAN WELL)

Kanalerna (slitsarna) på båda chassina är fyllda med DC-utgångsmoduler med önskad utgångsklassning, t.ex. NMS-240-5, en 5 V/36 A-enhet (nominellt) (Figur 7 och Figur 8). Andra modeller i modulerna med en enda utgång ger 12 utgångar på V/20 A, 24 V/10 A och 48 V/5 A.

Figur 7: NMS-240-5-modulen för chassit NMP650 och NMP1K2 levererar 5 V (nominellt) vid upp till 36 A (Bildkälla: MEAN WELL)

Figur 8: Modulen 5 V/ 36 A NMS-240-5 skjuts in i en plats i chassit NMP650 och NMP1K2. (Bildkälla: MEAN WELL)

För tillämpningar som kräver dubbla DC-utgångar från en enda insticksmodul, erbjuder MEAN WELLNMD-240, en 3 - 30 V/5 A, dubbel-utgångsmodul (Figur 9).

Figur 9: NMD-240 är en dubbel-utgångsmodul på en fackplats som kan leverera upp till 30 V vid upp till 5 A på båda kanalerna. (Bildkälla: MEAN WELL)

Ytterligare funktioner förbättrar mångsidigheten

En strömförsörjnings prestanda kännetecknas av specifikationerna för topprioriterade parametrar som utspänningsnoggrannhet, transient- och överlastrespons, temperaturstabilitet, nätreglering, lastreglering och annat. Det finns dock också funktioner som kan öka nyttan av matningen samt öka användarnas förtroende. För MEAN WELL NMP650- och NMP1K2-chassit och deras insticksmoduler, inkluderar dessa extra funktioner:

• Skydd: Kortslutnings-, överlast-, överspännings- och övertemperaturskydd är inbyggt i alla utgångsmoduler, där den senare indikeras av en TTL-nivåsignalutgång med en maximal källström på 10 mA.
• Extra effektutgång: NMP650-chassit ger en 5 V/1,5 A-utgång, medan NMP1K2 ger 5 V/10 mA, vilket användbart för hjälpfunktioner där en modul i full storlek skulle vara för stor.
• Det finns också en funktion som löser ett problem relaterat till matningar med flera utgångar. I vissa situationer behöver användaren en enda av/på-kontroll för hela chassit och alla utgångar, men det finns också test- och även driftssituationer med behov av att styra utgångar individuellt och därmed oberoende av var och en av utgångsnivåerna. NMP-chassit har en global på/av-kontroll, medan varje DC-utgångsmodul kan slås på/av individuellt med en fjärrsignal, samt en lokal brytare.
• Slutligen finns det ström- och spänningsprogrammerbarhet för modulerna. Med en extern 0 till 1 volt DC-signal kan utgångsspänningen för varje modul programmeras till mellan 50 och 100 % av sitt nominella värde och dess utgångsström programmeras från 40 till 100 %.

Slutsats

Valet av AC/DC-strömförsörjning med flera utgångar innefattar överväganden om prestanda, funktioner, egenskaper, upphandling och regleringsstandarder. MEAN WELL NMP-chassit med ett urval av utgångskort för instickning som erbjuder konstruktörer flexibilitet i att konfigurera utgångar, tillsammans med funktioner som enkelt och snabbt kan tillgodose olika slutanvändares krav.