Gebruik modulaire AC/DC-voedingen met meerdere uitgangen voor flexibiliteit en configuratiemogelijkheden

Systeemontwerpers en systeemintegrators vertrouwen op goed ontworpen, lijngevoede AC/DC-voedingen om de nodige spanningsrails voor toepassingen te leveren, en dit met nauwkeurigheid, stabiliteit en snelle transiënte respons, naast andere prestatiefactoren. Veel systemen vereisen dat de AC/DC-voeding tegelijkertijd verschillende onafhankelijke uitgangsspanningen (rails) levert. Deze voedingen moeten ook voldoen aan diverse regelgevingsnormen inzake elektromagnetische interferentie (EMI), radiofrequentie-interferentie (RFI), efficiëntie en basisveiligheid voor de gebruiker. Voor ontwerpers van medische toepassingen zijn er ook aanvullende normen inzake toegestane lekstroom en meervoudige middelen ter bescherming van de patiënt (MOPP).

Om aan de behoeften van deze toepassingen te voldoen, zijn multi-output voedingen verkrijgbaar met een reeks vooraf ingestelde uitgangsspanningen en -stromen. Het hebben van deze vooringestelde, multi-output AC/DC-voedingen kan de stuklijst (BOM) en het voorraadbeheer echter bemoeilijken, aangezien de behoeften vaak veranderen. Zij beperken ook de flexibiliteit als verschillende multi-output voedingen nodig zijn voor verschillende producten, vooral voor gespecialiseerde eindproducten met lage volumes. Een beter alternatief voor ontwerpers is in veel gevallen het gebruik van een modulaire AC/DC-benadering.

Dit artikel gaat in op de kenmerken en voordelen van deze aanpak voor medische, industriële en testtoepassingen, vooral wanneer unieke of aangepaste opstellingen nodig zijn. Vervolgens zal hij krachtige modulaire AC/DC-voedingen van MEAN WELL Enterprises Co, Ltd.introduceren. en laten zien hoe ze gebruikt worden.

Voedingsconfiguraties voor multi-output vereisten

Het is normaal dat een systeem meerdere gelijkstroomsporen nodig heeft voor zowel intern gebruik als voor zijn externe belasting. Zo vereisen de processorgecentreerde logica en de digitale circuits gewoonlijk lage voedingsspanningen van één cijfer, terwijl de belasting en de driver ervan vaak hogere spanningen of andere stroombereiken vereisen.

In veel situaties is de specifieke lijst van benodigde DC-uitgangsspanningen en hun maximale stroomwaarden niet vast en onveranderlijk, en wel om twee redenen:

• Sommige van deze railspanningen en stromen zullen moeten worden gewijzigd wanneer hetzelfde basisontwerp wordt gebruikt voor verschillende belastingen, zoals een kleine motor, LED-array of medisch scansysteem tegenover grotere versies van hetzelfde type.
• Zelfs als het product of de productfamilie vaste DC-uitgangseisen heeft, hebben bedrijven vaak meerdere verwante producten in hun portefeuille, waarbij voor elk product een andere voedingsregeling nodig is.

Om aan deze uiteenlopende behoeften tegemoet te komen, hebben ontwerpers twee mogelijkheden:

• Zij kunnen afzonderlijke multi-output voedingen gebruiken die worden aangeschaft met de uitgangsspanningen die nodig zijn voor elke versie van het product. Het gebruik van dergelijke niet-configureerbare voorraden leidt tot problemen op het gebied van voorraadbeheer en toeleveringsketen, en daarmee tot inefficiënties bij het maken van prognoses, bestellingen, voorraden en doorlooptijden.
• Zij kunnen een mix van enkelvoudige AC/DC-voedingen (modules) gebruiken om aan de behoeften van elke productversie te voldoen. Dit vereenvoudigt tot op zekere hoogte de voorraad- en toeleveringsketen, maar kan ook leiden tot meer ontwerp- en assemblage-uitdagingen. De reden hiervoor is dat de verschillende voedingen ook verschillende voetafdrukken, volumes en bevestigingsoverwegingen kunnen hebben. Het gevolg is dat voor elke unieke configuratie een herschikking van de volledige productassemblage nodig kan zijn.

Hoewel dit "op papier" een klein probleem lijkt (Afbeelding 1), kan het in de praktijk leiden tot een ongewenst "rimpeleffect" van gevolgen.

Afbeelding 1: Het verschil tussen het gebruik van één enkele levering met meerdere uitgangen en meerdere leveringen met één uitgang lijkt bescheiden, maar de praktische gevolgen voor de toeleveringsketen en het productieproces kunnen groot zijn. (Bron afbeelding: Bill Schweber)

Medische toepassingen voegen extra eisen toe

Welke optie de beste is, hangt af van de specifieke kenmerken van de situatie en van het evenwicht tussen afwegingen en prioriteiten ten opzichte van de ontwerpdoelstellingen. Er zijn echter extra beperkingen voor de vele medische toepassingen waarbij sprake is van fysiek contact met een patiënt en een instrument dat werkt op een AC/DC-voeding, hetgeen van invloed is op de keuze tussen de twee genoemde opties.

Er zijn regelgevingsmandaten, hoofdzakelijk IEC 60601-1, naast de andere normen die betrekking hebben op voedingen die in bredere toepassingen worden gebruikt, zoals IEC 62368-1 voor informatie- en computertechnologie (met inbegrip van consumentenproducten), die in december 2020 de bestaande normen IEC 60950-1 en IEC 60065 volledig heeft vervangen.

Bij de keuze van de voeding moeten ontwerpers rekening houden met de ontwerpvereisten en met de voorschriften. Zo is er bijvoorbeeld de kwestie van de lekstroom, d.w.z. de stroom die door de beschermende aardgeleider naar de aarde loopt. Bij afwezigheid van een goede aardverbinding - en de norm gaat ervan uit dat de verbinding inderdaad kan ontbreken - is het de stroom die van een geleidend onderdeel of het oppervlak van niet-geleidende onderdelen naar de aarde kan vloeien als er een geleidend pad beschikbaar was, zoals een menselijk lichaam, die een mogelijk levensbedreigend gevaar oplevert.

Voor medische toepassingen is de toegestane maximale lekstroom veel lager dan voor andere algemene toepassingen. De reden is dat deze stroom een hartstilstand kan veroorzaken als hij door het lichaam en vooral door de borstkas vloeit, zelfs bij zeer lage niveaus in het sub-milli-amp-bereik. Onder "normale" bedrijfsomstandigheden zal deze stroom nul of bijna nul zijn, maar de norm gaat ervan uit dat zich een storing kan voordoen en dat daardoor stroom door het lichaam kan vloeien.

Welke invloed heeft dit op de keuze tussen de twee manieren om te voorzien in de behoefte aan meerdere AC/DC-voedingsrails? Zelfs als de tweede optie aantrekkelijk lijkt, en dat kan het in sommige gevallen zijn, brengt zij een subtiele maar belangrijke technische overweging mee als gevolg van regelgevende mandaten. De wettelijke norm meet de lekstroom voor het gehele eindproduct, niet voor de afzonderlijke onderdelen. Hoewel de lekstroom van een afzonderlijke voeding met meerdere uitgangen onder het toegestane maximum ligt (Afbeelding 2), kan de som van de lekstromen van meerdere voedingen met één uitgang die limiet overschrijden, zelfs als elke voeding met één uitgang eronder ligt (Afbeelding 3).

Afbeelding 2: De meest gebruikelijke manier om meerdere gelijkstroomuitgangen aan te bieden is door gebruik te maken van één enkele multi-output AC/DC-voeding met vooraf ingestelde waarden voor de uitgangsspanning en een gespecificeerde maximale lekstroom. (Bron afbeelding: MEAN WELL)

Afbeelding 3: Een alternatief is het leveren van meerdere gelijkstroomuitgangen door gebruik te maken van een reeks afzonderlijke AC/DC-voedingen met enkele uitgang, maar de lekstromen daarvan zullen optellen en kunnen de toegestane limieten overschrijden. (Bron afbeelding: MEAN WELL)

Ten tweede is er een unieke vereiste in veel medische systemen dat er twee MOPP's zijn in plaats van slechts één MOPP; dit is een extra vereiste om de patiënt extra te beschermen tegen schade als de ene MOPP faalt. Er zijn ook overeenkomstige voorschriften voor de middelen ter bescherming van de bediener (MOOP).

Hoewel er verschillende manieren zijn om MOPP buiten het voedingssubsysteem om in het circuit van het product toe te passen, wordt dit gewoonlijk binnen het voedingssubsysteem van het product bereikt door gebruik te maken van een scheidingstransformator (transformatoren die voldoen aan medisch-specifieke regelgevingsnormen worden beschouwd als een MOPP). De afwezigheid van een aardretour aan de secundaire zijde van de transformator levert, samen met andere mandaten, één MOPP op, terwijl de isolatie die door de primaire/secundaire zijde wordt aangebracht een tweede MOPP vormt (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De geïsoleerde transformator en het primair-secundair wikkelpaar zorgen voor MOPP in AC-gevoede voedingen. (Bron afbeelding: MEAN WELL)

Er zijn ook normen die eisen stellen aan de efficiëntie, wat de uitdaging nog groter maakt. Net als bij lekstroom wordt bij deze normen gekeken naar de totale systeemefficiëntie onder gedefinieerde bedrijfsomstandigheden en vermogensniveaus. Zelfs indien individuele leveringen in een meervoudig railsysteem aan de normen voldoen, is de goedkeuring van de regelgever gebaseerd op de efficiëntie van het geaggregeerde systeem, niet op de onderliggende leveringen zoals die individueel worden beoordeeld.

Kies voor een modulaire aanpak van stroomvoorziening

Tot dusver waren er twee multi-rail opties: de ene waarbij gebruik werd gemaakt van een enkele multi-output AC/DC-voeding met vooraf ingestelde, vaste uitgangen en dus beperkte flexibiliteit; de tweede waarbij gebruik werd gemaakt van een reeks afzonderlijke single output AC/DC-voedingen, die naar behoefte kunnen worden gemengd.

Maar er is een andere optie: MEAN WELL heeft een modulaire AC/DC-architectuur ontwikkeld die de flexibiliteit van de uitgangsconfiguratie combineert met het overtreffen van alle relevante regelgevende normen, inclusief medische. Het MEAN WELL-systeem bestaat uit een modulair chassis met invoegbare, door de gebruiker te selecteren DC-uitgangsmodules (Afbeelding 5).

Dit chassis is verkrijgbaar in twee capaciteiten: de NMP650-CEKK-03, een vierkanaals (slot) convectiegekoeld chassis met een vermogen van 650 watt (W), en de NMP1K2, een zeskanaals, geforceerde lucht (ventilator) gekoeld chassis met een vermogen van 1200 W. Beide chassis hebben een 1U-slank mechanisch ontwerp om te passen in krappe ruimtebeperkingen (1U is gelijk aan 1,75 inch/44,45 millimeter (mm) rekhoogte).

Afbeelding 5: Het MEAN WELL-systeem bestaat uit een modulair chassis met vier of zes kanalen, plus een familie van onafhankelijke plug-in DC-uitgangsmodules. De NMP1K2 is afgebeeld met het deksel eraf (boven) en op zijn plaats (onder). (Bron afbeelding: MEAN WELL)

Dit chassis bevat de primaire AC-lijnisolatietransformator en de front-end vermogensomzettings-/regelingsschakelingen (Afbeelding 6). Bij de NMP1K2 wordt de ventilatorsnelheid automatisch aangepast via de interne temperatuurdetectiefunctie om het chassis onder de thermische grenzen te houden, terwijl het energieverbruik en het geluidsniveau tot een minimum worden beperkt. De NMP-serie voldoet aan de medische veiligheidscertificering volgens IEC 60601-1 (primair-secundair: 2 × MOPP; primair-aard: 1 × MOPP), en aan de voorschriften voor de informatietechnologie-industrie (IT) IEC 62368-1. De serie voldoet ook aan de relevante elektromagnetische compatibiliteit (EMC) emissie- en immuniteitsvoorschriften, met inbegrip van de voorschriften van (maar niet beperkt tot) EN61000.

Afbeelding 6: Het NMP-chassis levert de vereiste AC-lijntransformator en de eerste stadia van vermogensomzetting en regelcircuits. (Bron afbeelding: MEAN WELL)

De kanalen (slots) van beide chassis worden gevuld met DC-uitgangsmodules met de gewenste uitgangsvermogens, zoals de NMS-240-5, een 5 volt (nominaal)/36 amp (A) eenheid (Afbeelding 7 en Afbeelding 8). Andere modellen in de serie modules met één uitgang bieden uitgangen van 12 volt/20 A, 24 volt/10 A, en 48 volt/5 A.

Afbeelding 7: De NMS-240-5-module voor het NMP650 en NMP1K2-chassis levert 5 volt (nominaal) bij maximaal 36 A. (Afbeelding bron: MEAN WELL)

Afbeelding 8: De 5 volt/36 A NMS-240-5 module schuift in een sleuf in het NMP650 en NMP1K2-chassis. (Bron afbeelding: MEAN WELL)

Voor toepassingen die dubbele DC uitgangen vereisen van een enkele slide-in module, biedt MEAN WELL de NMD-240, een 3 tot 30 volt/5 A, dubbele uitgangsmodule (Afbeelding 9).

Afbeelding 9: De NMD-240 is een single slot, dubbele uitgangsmodule die tot 30 volt kan leveren bij maximaal 5 A op beide kanalen. (Bron afbeelding: MEAN WELL)

Extra functies vergroten de veelzijdigheid

De prestaties van een voeding worden gekarakteriseerd door de specificaties voor parameters die de hoogste prioriteit hebben, zoals de nauwkeurigheid van de uitgangsspanning, de transiënte en overbelastingsrespons, de temperatuurstabiliteit, de lijnregeling, de belastingsregeling, enz. Er zijn echter ook kenmerken die de bruikbaarheid van de voorziening en het vertrouwen van de gebruiker kunnen vergroten. Voor de MEAN WELL NMP650 en NMP1K2-chassis en hun insteekmodules omvatten deze extra functies:

• Bescherming: Kortsluiting, overbelasting, overspanning en overtemperatuurbeveiliging zijn ingebouwd in alle uitgangsmodules, waarbij de laatste wordt aangegeven door een signaaluitgang op TTL-niveau met een maximale sourcing-stroom van 10 milliamperes (mA).
• Hulpvoeding: het NMP650-chassis heeft een uitgang van 5 volt/1,5 A, terwijl de NMP1K2 een uitgang van 5 volt/10 mA heeft, nuttig voor ondersteunende functies waar een volwaardige module te groot zou zijn.
• Er is ook een functie die een probleem in verband met multi-output voedingen aanpakt. In sommige situaties hebben gebruikers behoefte aan één enkele aan/uit-regeling voor het hele chassis en alle uitgangen, maar er zijn ook test- en zelfs operationele situaties waarin de uitgangen afzonderlijk moeten worden bediend, en dus elke uitgangsrail onafhankelijk aan/uit moet worden gezet. Het NMP-chassis heeft een globale aan/uit-regeling, terwijl elke DC-uitgangsmodule afzonderlijk kan worden aan/uit-geschakeld door een signaal op afstand, of door een lokale schakelaar.
• Tenslotte is er de stroom- en spanningsprogrammeerbaarheid van de modules. Met behulp van een extern 0 tot 1 volt gelijkstroomsignaal kan de uitgangsspanning van elke module worden geprogrammeerd op 50 tot 100% van de nominale waarde, en de uitgangsstroom op 40 tot 100%.

Conclusie

Bij de keuze van multi-output AC/DC-voedingen moet rekening worden gehouden met prestaties, functies, kenmerken, aanschaf en wettelijke normen. Het MEAN WELL NMP-chassis met een keuze aan insteekbare uitgangskaarten biedt ontwerpers flexibiliteit in de uitgangsconfiguratie, samen met mogelijkheden die gemakkelijk en snel kunnen voldoen aan diverse eindgebruikersvereisten.