Bruk modulære AC-DC-strømsforsyninger (vekselstrøm–likestrøm) med flere utganger for fleksibilitet og konfigurerbarhet

Systemdesignere og -integratorer er avhengige av godt utformede, linjedrevne AC-DC-strømsforsyninger for å gi de nødvendige spenningsskinnene for utrustninger, og for å gjøre dette med nøyaktighet, stabilitet og rask forbigående respons, blant andre ytelsesfaktorer. Mange systemer krever at AC-DC-strømsforsyningen samtidig gir flere uavhengige utgangsspenninger (skinner). Disse forsyningene må også oppfylle flere regulatoriske standarder som dekker elektromagnetisk interferens (EMI), radiofrekvensinterferens (RFI), virkningsgrad og grunnleggende brukersikkerhet. For konstruktører av medisinsk utstyr er det også ytterligere standarder for tillatt lekkasjestrøm og flere midler til pasientbeskyttelse (means of patient protection – MOPP).

For å imøtekomme behovene til dette bruksområdet, er multiutgangsforsyninger tilgjengelige som tilbyr en rekke forhåndsinnstilte utgangsspenninger og -strømmer. Å ha disse forhåndsinnstilte AC-DC-strømsforsyningene med flere utganger kan imidlertid komplisere materiallisten (stykkliste) og lagerstyringen etter hvert som behovene ofte endres. De begrenser også fleksibiliteten hvis forskjellige multiutgangsforsyninger er nødvendige for forskjellige produkter, spesielt for spesialiserte sluttprodukter med lavt volum. Et bedre alternativ for designere i mange tilfeller er å bruke en modulær AC-DC-tilgang.

Denne artikkelen vil se på funksjonene og fordelene ved denne tilnærmingen for medisinske, industrielle og testutrustninger, spesielt der unike eller tilpassede ordninger er nødvendige. Deretter introduseres høyytende AC-DC-strømsforsyninger fra MEAN WELL Enterprises Co., Ltd. og vise hvordan de brukes.

Forsyningskonfigurasjoner for krav til flere utganger

Det er normalt at et system krever flere likestrømsskinner for intern bruk, så vel som for ekstern belastning. Prosessorsentrert logikk og digitale kretser krever for eksempel vanligvis lave, ensifrede forsyningsskinner, mens lasten og driveren ofte krever høyere spenninger eller forskjellige strømklasser.

I mange situasjoner er den spesifikke oppføringen av nødvendige DC-utgangsspenninger og deres maksimale strømklasser ikke fast og uendret, av to grunner:

• Noen av disse skinnespenningene og -strømmene må endres når den samme grunnleggende utformingen brukes på tvers av forskjellige belastninger, for eksempel en liten motor, LED-matrise eller medisinsk skannesystem i motsetning til større versjoner av samme type.
• Selv om produktet eller produktfamilien har faste DC-utgangskrav, har selskapene ofte flere relaterte produkter i sin portefølje, der hver enkelt trenger en annen forsyningsordning.

For å dekke disse ulike behovene har designere to alternativer:

• De kan bruke separate forsyninger med flere utganger som anskaffes med utgangsskinnespenningene som er nødvendige for hver versjon av produktet. Bruk av slike ikke-konfigurerbare forsyninger bidrar til lagerstyring og forsyningskjedeproblemer, og medfører tilhørende ineffektivitet i prognose-, bestillings-, lager- og leveringstider.
• De kan bruke en blanding av AC-DC-strømsforsyninger (moduler) med én utgang for å imøtekomme behovene til hver produktversjon. Dette forenkler lager- og forsyningskjedeproblemer til en viss grad, men kan også bidra til utfordringer med utforming og montering. Grunnen er at de ulike forsyningene også kan ha varierende monteringsflate, volum og monteringsaspekter. Resultatet er at en omarrangering av den komplette produktsammenstillingen kan være nødvendig for hver unike konfigurasjon.

Selv om dette ser ut som et mindre problem «på papiret» (figur 1), kan den praktiske virkningen være en uønsket ringvirkninger av konsekvenser.

Figur 1: Forskjellen mellom å bruke en enkelt multiutgangsforsyning og flere enkeltutgangsforsyninger ser beskjeden ut, men de praktiske implikasjonene for forsyningskjeden og produksjonsprosessen kan være store. (Bildekilde: Bill Schweber)

Medisinske apparater gjør at det blir ytterligere tilleggskrav

Det bedre alternativet avhenger av situasjonens spesifikasjoner, så vel som balansen mellom kompromisser og prioriteringer kontra utformingsmålene. Det er imidlertid ytterligere begrensninger for de mange medisinske apparatene som involverer fysisk kontakt med en pasient og et instrument som betjenes fra en AC-DC-strømsforsyning, noe som påvirker valget mellom de to alternativene som er nevnt.

Det finnes reguleringsmandater, hovedsakelig IEC 60601-1, i tillegg til de andre standardene som regulerer forsyninger som brukes i bredere bruksområder, for eksempel IEC 62368-1 for informasjons- og datateknologi (inkludert forbruksvarer), som fullstendig erstattet eksisterende IEC 60950-1 og IEC 60065-standarder i desember 2020.

Ved valg av strømforsyning må konstruktører ta hensyn til konstruksjonskravene så vel som forskriftene. For eksempel er det spørsmålet om lekkasjestrøm, som er strømmen som strømmer gjennom den beskyttende jordlederen til jord. I fravær av en god jordforbindelse – og standarden forutsetter at forbindelsen faktisk kan mangle - er det strømmen som kan strømme fra enhver ledende del eller overflaten av ikke-ledende deler til bakken hvis en ledende bane var tilgjengelig, for eksempel et menneskelegeme, som utgjør en mulig livstruende fare.

For medisinske apparater er tillatt maksimal lekkasjestrøm mye mindre enn for andre generelle bruksområder. Grunnen er at denne strømmen kan forårsake hjertestans hvis den strømmer gjennom kroppen, og spesielt gjennom brystet, selv ved svært lave nivåer under milliampereområdet. Under «normale» driftsomstendigheter vil denne strømmen være null eller nesten slik, men standarden forutsetter at en feil kan oppstå og dermed indusere strømgjennomstrømning gjennom legemet.

Hvordan påvirker dette valget mellom de to måtene å besvare behovet for flere AC-DC-strømsforsyningsskinner på? Selv om det andre alternativet virker attraktivt – og det kan være det i noen tilfeller – gir det en subtil, men viktig teknisk vurdering på grunn av reguleringsmandater. Reguleringsstandarden måler lekkasjestrøm for hele sluttproduktet, ikke de enkelte komponentforsyningene. Selv om en individuell flerutgangsforsyning kan ha lekkasjestrøm under den tillatte maksimumsverdien (figur 2), kan summen av lekkasjestrømmene til flere enkeltutgangsforsyninger overskride denne grensen, selv om hver enkeltutgangsforsyning er under den (figur 3).

Figur 2: Den vanligste måten å gi flere DC-utganger på er ved å bruke en enkelt AC-DC-strømsforsyningen med forhåndsinnstilte utgangsspenningsverdier og en angitt maksimal lekkasjestrøm. (Bildekilde: MEAN WELL)

Figur 3: Et alternativ er å gi flere DC-utganger ved å bruke et sett med individuelle AC-DC-strømsforsyninger, men lekkasjestrømmene vil legge seg sammen og kan overskride tillatte grenser. (Bildekilde: MEAN WELL)

For det andre er det et unikt krav i mange medisinske systemer til to MOPP-er i stedet for bare en enkelt MOPP; dette er et ekstra krav for å gi ekstra forsikring mot pasientskade hvis den ene MOPP-en mislykkes. Det er også tilsvarende krav til utstyr for operatørbeskyttelse (means of operator protection – MOOP).

Selv om det er forskjellige måter å implementere MOPP i produktets krets utenfor strømdelsystemet, oppnås det vanligvis innenfor strømdelsystemet til produktet ved hjelp av en isolasjonstransformator (transformatorer som oppfyller medisinsk-spesifikke reguleringsstandarder anses for å være en MOPP). Fraværet av en jordretur fra sekundærsiden av transformatoren, sammen med andre mandater, gir én MOPP, mens isolasjonen som leveres av primær-/sekundærsiden er en andre MOPP (figur 4).

Figur 4: Den isolerte transformatoren og det primære sekundære viklingsparet gir MOPP i AC-drevne forsyninger (vekselststømdrevne). (Bildekilde: MEAN WELL)

Det er også standarder som definerer virkningsgrad som bidrar til utfordringen. Som med lekkasjestrøm, ser disse standardene på den totale systemeffektiviteten under definerte driftsforhold og strømnivåer. Selv om de enkelte forsyningene i et flerskinnesystem med flere skinner oppfyller standardene, er den regulatoriske godkjenningen basert på virkningsgraden til det samlede systemet, ikke de underliggende forsyningene som vurderes individuelt.

Ta den modulære tilnærmingen til strømforsyninger

Så langt har det vært to flerskinnealternativer: den ene bruker en AC-DC-strømsforsyning med forhåndsinnstilte, faste utganger og dermed begrenset fleksibilitet; den andre bruker et sett med distinkte AC-DC-strømsforsyninger med én utgang, som skal blandes etter behov.

Men det er et annet alternativ: MEAN WELL har utviklet en modulær AC-DC-arkitektur som kombinerer fleksibiliteten i utgangskonfigurasjonen samtidig som den overskrider alle relevante reguleringsstandarder, inkludert medisinske standarder. MEAN WELL-systemet består av et modulært chassis med tilleggsmoduler for likestrømsutgang som kan velges av brukeren (figur 5).

Dette chassiset er tilgjengelig i to kapasiteter: NMP650-CEKK-03, et firekanals (spor) konveksjonskjølt chassis med en kapasitet på 650 watt (W), og NMP1K2, et sekskantet chassis som kjøling med tvungen luft (vifte) med en kapasitet på 1200 W. Begge chassisene har en 1U slank mekanisk utforming som passer til trange plassbegrensninger (1U tilsvarer 1,75 tommer / 44,45 millimeter (mm) stativhøyde).

Figur 5: MEAN WELL-systemet består av et modulært chassis med fire eller seks kanaler, pluss en familie av uavhengige innstikks-DC-utgangsmoduler. NMP1K2 vises med dekselet av (topp), og på plass (bunn). (Bildekilde: MEAN WELL)

Dette chassiset inneholder den primære vekselstrømslinjeisolasjonstransformatoren og strømkonverterings-/reguleringskretsen i frontenden (figur 6). For NMP1K2 justeres viftehastigheten automatisk gjennom den interne temperaturdeteksjonsfunksjonen for å holde chassiset under termiske grenser, samtidig som energibruk og akustisk støy minimeres. NMP-serien oppfyller medisinsk sikkerhetssertifisering i henhold til IEC 60601-1 (Primær-sekundær: 2 × MOPP; primærjord: 1 × MOPP), så vel som informasjonsteknologi (IT) bransjeregulering IEC 62368-1. Serien oppfyller også relevante regler for EMC-utslipp og immunitet, inkludert de som er spesifisert i EN61000 (men ikke begrenset til bare disse).

Figur 6: NMP-kabinettet gir den nødvendige vekselstrømstransformatoren og de første trinnene i strømomformings- og styringskretsene. (Bildekilde: MEAN WELL)

Kanalene (sporene) på begge chassisene er fylt med DC-utgangsmoduler med ønskede utgangsklasser, for eksempel NMS-240-5, en 5 volt (nominell) / 36 ampere (A)-enhet (figur 7 og figur 8). Andre modeller i den enkle utgangsfamilien av moduler gir 12 volt / 20 A, 24 volt / f10 A og 48 volt / 5 A utganger.

Figur 7: NMS-240-5-modulen for NMP650- og NMP1K2-chassiset leverer 5 volt (nominelt) ved opptil 36 A. (Bildekilde: MEAN WELL)

Figur 8: 5 volt / 36 A NMS-240-5-modulen glir inn i et spor i NMP650- og NMP1K2-chassiset. (Bildekilde: MEAN WELL)

For apparater som krever doble DC-utganger fra en enkelt innstikksmodul, tilbyr MEAN WELL NMD-240, en 3-30 volt / 5 A, dobbel utgangsmodul (figur 9).

Figur 9: NMD-240 er en enkeltspors, dobbel utgangsmodul som kan levere opptil 30 volt ved opptil 5 A på begge kanaler. (Bildekilde: MEAN WELL)

Tilleggsfunksjoner forbedrer allsidigheten

En strømforsynings ytelse er karakterisert av spesifikasjonene for toppprioriterte parametere som utgangsspenningsnøyaktighet, transient og overbelastningsrespons, temperaturstabilitet, linjeregulering, lastregulering med mer. Det er imidlertid også funksjoner som kan øke nytten av forsyningen og brukertilliten. For MEANWELL NMP650- og NMP1K2-chassiset og deres innstikksmoduler inkluderer disse ekstra funksjonene:

• Beskyttelse: Kortslutnings-, overbelastnings-, overspennings- og overtemperaturbeskyttelse er innebygd i alle utgangsmoduler, der sistnevnte indikeres av en TTL-nivåsignalutgang med en maksimal kildestrøm på 10 milliampere (mA).
• Hjelpestrømutgang: NMP650-kabinettet gir en 5 volt / 1,5 A-utgang, mens NMP1K2 gir 5 volt / 10 mA, nyttig for støttefunksjoner der en fullstørrelsesmodul ville være overdreven.
• Det er også en funksjon som løser et problem knyttet til forsyninger med flere utganger. I noen situasjoner trenger brukerne en enkelt på/av-styring for hele chassiset og alle utganger, men det er også test- og til og med driftssituasjoner med behov for å kontrollere utgangene individuelt, og dermed slå hver utgangsskinne uavhengig av/på. NMP-kabinettet har en global på/av-styring, mens hver DC-utgangsmodul kan slås på/av individuelt av et eksternt signal, så vel som av en lokal bryter.
• Endelig er det strøm- og spenningsprogrammerbarhet for modulene. Ved hjelp av et eksternt 0 til 1 volts DC-signal kan utgangsspenningen til hver modul programmeres til mellom 50 og 100 % av den nominelle verdien, og utgangsstrømmen programmeres fra 40 til 100 %.

Konklusjon

Valget av AC-DC-strømforsyninger med flere utganger innebærer hensyn til ytelse, funksjoner, egenskaper, anskaffelse og regulatoriske standarder. DET gjennomsnittlige brønn-NMP-kabinettet med et utvalg av innstikks-utdatakort gir designere fleksibilitet i utdatakonfigurasjonen, sammen med funksjoner som enkelt og raskt kan tilfredsstille ulike sluttbrukerkrav.