Zastosowanie modułowych, wielowyjściowych zasilaczy prądu zmiennego/stałego zapewnia elastyczność i konfigurowalność

Projektanci systemów i integratorzy polegają na dobrze zaprojektowanych zasilaczach prądu zmiennego/stałego z zasilaniem sieciowym, aby stworzyć szyny napięciowe niezbędne dla danego zastosowania, zapewniając przy tym dokładność, stabilność i szybką odpowiedź impulsową, a także inne parametry wydajnościowe na dobrym poziomie. Wiele układów wymaga, aby zasilacze prądu zmiennego/stałego jednocześnie oferowały kilka niezależnych napięć wyjściowych (szyn). Zasilacze te muszą również spełniać wiele przepisów w zakresie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), zakłóceń o częstotliwościach radiowych (RFI), wydajności i podstawowego bezpieczeństwa użytkownika. Dla projektantów urządzeń medycznych istnieją również dodatkowe normy dotyczące dopuszczalnego prądu upływu i wielu środków ochrony pacjenta (MOPP).

Aby sprostać wymaganiom tych zastosowań, dostępne są zasilacze wielowyjściowe, oferujące szereg wstępnie skonfigurowanych napięć i prądów wyjściowych. Jednak posiadanie tych wstępnie skonfigurowanych, wielowyjściowych zasilaczy prądu zmiennego/stałego może skomplikować wykaz materiałów (BOM) i zarządzanie zapasami, ponieważ potrzeby często się zmieniają. Takie zasilacze ograniczają również elastyczność, jeśli potrzebne są różne wielowyjściowe zasilacze dla różnych produktów, zwłaszcza dla specjalistycznych produktów końcowych występujących w niewielkiej liczbie. W wielu przypadkach lepszą alternatywą dla projektantów jest wykorzystanie modułów prądu zmiennego/stałego.

W tym artykule przyjrzymy się cechom i zaletom podejścia modułowego w zastosowaniach medycznych, przemysłowych i testowych, zwłaszcza tam, gdzie potrzebne są unikalne lub niestandardowe rozwiązania. Następnie przedstawimy wysokowydajne modułowe zasilacze prądu zmiennego/stałego firmy MEAN WELL Enterprises Co., Ltd. i pokażemy, jak się ich używa.

Konfiguracje zasilaczy w sytuacji potrzeby posiadania wielu wyjść

To normalne, że na potrzeby użytku wewnętrznego a także do odbiorników zewnętrznych układ potrzebuje wielu szyn prądu stałego. Na przykład procesorowa logika i obwody cyfrowe zwykle wymagają niskonapięciowych (poniżej 10V) szyn zasilających, podczas gdy odbiorniki i ich sterowniki często wymagają wyższych napięć lub innych wartości znamionowych prądu.

W wielu sytuacjach lista potrzebnych napięć wyjściowych prądu stałego i maksymalnych wartości znamionowych prądu nie jest stała i niezmienna z dwóch powodów:

• Niektóre z tych napięć i natężeń szyn będą musiały ulec zmianie, gdy ten sam podstawowy projekt zostanie zastosowany do innych odbiorników, takich jak mały silnik, układ diod LED lub system skanowania medycznego w porównaniu z większymi wersjami tego samego typu.
• Nawet jeśli produkt (lub grupa produktów) ma stałe wymagania dotyczące parametrów wyjściowych prądu stałego, firmy często mają w swoim portfolio wiele powiązanych produktów, z których każdy wymaga innego układu zasilającego.

Aby sprostać tym różnorodnym potrzebom, projektanci mają dwie możliwości:

• Mogą używać oddzielnych wielowyjściowych zasilaczy, które są zamawiane z wyjściowymi napięciami szyn potrzebnymi dla każdej wersji produktu. Korzystanie z takich niekonfigurowalnych zasilaczy przyczynia się do problemów związanych z zarządzaniem zapasami i łańcuchem dostaw, a także wiąże się z nieefektywnością prognozowania, zamawiania, magazynowania i czasów realizacji.
• Mogą używać kombinacji zasilaczy prądu zmiennego/stałego z jednym wyjściem (modułów), aby spełnić wymagania każdej wersji produktu. Upraszcza to do pewnego stopnia problemy związane z zapasami i łańcuchem dostaw, ale może również zwiększyć wyzwania związane z projektowaniem i montażem. Powodem jest to, że różne zasilacze mogą również mieć różne rozmiary, objętości i wymagania montażowe. W rezultacie może być potrzebne zmodyfikowanie całego zespołu produktowego dla każdej unikalnej konfiguracji.

Chociaż wygląda to na drobny problem „na papierze” (ilustracja 1), w rezultacie możemy uzyskać niepożądany „efekt tętnienia”.

Ilustracja 1: różnica między wykorzystaniem jednego zasilacza wielowyjściowego i kilku zasilaczy jednowyjściowych wydaje się niewielka, ale praktyczne implikacje dla łańcucha dostaw oraz procesu produkcyjnego mogą być duże. (Źródło ilustracji: Bill Schweber)

Zastosowania medyczne stawiają dodatkowe wymagania

Lepsza opcja zależy od specyfiki sytuacji, a także od równowagi między kompromisami i priorytetami a celami projektowymi. Dla wielu zastosowań medycznych, wiążących się m.in. z kontaktem fizycznym z pacjentem i przyrządem zasilanym prądem zmiennym/stałym istnieje wiele ograniczeń, które wpływają na wybór między dwiema wymienionymi opcjami.

Oprócz norm, które regulują kwestie zasilaczy w szerszych zastosowaniach, takich jak norma IEC 62368-1 dla technologii informatycznych i komputerowych (z uwzględnieniem produktów konsumenckich) istnieją pewne regulacje prawne, przede wszystkim norma IEC 60601-1, które całkowicie zastąpiły dotychczasowe normy IEC 60950-1 i IEC 60065 w grudniu 2020 r.

Te wymagania projektowe oraz przepisy projektanci muszą wziąć pod uwagę, dobierając zasilacz. Na przykład występuje problem prądu upływowego, który jest prądem przepływającym przez przewód ochronny do uziemienia. W przypadku braku dobrego połączenia uziemiającego - a norma zakłada, że połączenia rzeczywiście może brakować - jest to prąd, który mógłby płynąć z dowolnej części przewodzącej lub powierzchni części nieprzewodzących do uziemienia, gdyby dostępna była droga przepływu prądu, np. organizm ludzki, co stanowi potencjalne zagrożenie dla życia.

W zastosowaniach medycznych dopuszczalny maksymalny prąd upływu jest znacznie mniejszy niż w przypadku innych ogólnych zastosowań. Powodem jest to, że wspomniany prąd może powodować zatrzymanie akcji serca, jeśli przepływa przez ciało, a zwłaszcza przez klatkę piersiową, nawet przy bardzo niskich poziomach w zakresie poniżej miliampera. W „normalnych” warunkach pracy prąd ten będzie wynosić zero lub prawie zero, ale norma zakłada, że może wystąpić usterka, a tym samym indukcja przepływu prądu przez ciało.

Jak wpływa to na wybór między dwoma sposobami zaspokojenia zapotrzebowania na wiele szyn zasilających prądu zmiennego/stałego? Nawet jeśli druga opcja wydaje się atrakcyjna - a może tak być w niektórych przypadkach - wiąże się z subtelnymi, ale ważnymi względami technicznymi ze względu na obowiązujące przepisy. W normie regulacyjnej pomiary prądu upływu określa się dla całego produktu końcowego, a nie dla poszczególnych komponentów. W związku z tym, podczas gdy pojedynczy zasilacz wielowyjściowy może mieć prąd upływu poniżej dopuszczalnego maksimum (ilustracja 2), suma prądów upływu wielu zasilaczy jednowyjściowych może przekraczać tę wartość graniczną, nawet jeśli wartość dla każdego zasilacza jednowyjściowego jest niższa (ilustracja 3).

Ilustracja 2: najczęstszym sposobem zapewnienia wielu wyjść prądu stałego jest zastosowanie jednego zasilacza wielowyjściowego prądu zmiennego/stałego ze wstępnie skonfigurowanymi wartościami napięcia wyjściowego i określonym maksymalnym prądem upływu. (Źródło ilustracji: MEAN WELL)

Ilustracja 3: alternatywą jest zapewnienie wielu wyjść prądu stałego przy użyciu zestawu pojedynczych jednowyjściowych zasilaczy prądu zmiennego/stałego, ale ich prądy upływowe będą się sumować i mogą przekraczać dopuszczalne wartości graniczne. (Źródło ilustracji: MEAN WELL)

Po drugie, w wielu systemach medycznych istnieje unikalny wymóg stosowania dwóch środków ochrony pacjenta, a nie tylko jednego. Jest to dodatkowy wymóg, aby zapewnić zwiększoną ochronę pacjenta od obrażeń, gdyby pierwszy środek ochrony nie zadziałał. Istnieją również odpowiednie wymagania dotyczące środków ochrony operatora (MOOP).

Chociaż istnieją różne sposoby implementacji MOPP w obwodzie produktu poza podukładem zasilania, zwykle MOPP wdraża się w podukładzie zasilania produktu za pomocą transformatora izolacyjnego (transformatory, które spełniają specyficzne medyczne normy prawne, są uważane za MOPP). Brak powrotu do masy po stronie wtórnej transformatora, wraz z innymi wymaganymi funkcjami, stanowi jeden ze środków ochrony pacjenta (MOPP), podczas gdy drugim jest izolacja zapewniana przez stronę pierwotną/wtórną (ilustracja 4).

Ilustracja 4: w zasilaczach prądu zmiennego, środki ochrony pacjenta (MOPP) mają postać transformatora izolacyjnego i pary uzwojeń - pierwotnego i wtórnego. (Źródło ilustracji: MEAN WELL)

Istnieją również normy określające wymagania dotyczące wydajności, która stanowi dodatkowe wyzwanie. Podobnie jak w przypadku prądu upływu, normy te uwzględniają całkowitą sprawność układu w określonych warunkach pracy i przy określonych poziomach mocy. Nawet jeśli poszczególne zasilacze w układzie z wieloma szynami spełniają normy, aprobaty regulacyjne opierają się na sprawności układu połączonego, a nie pojedynczych zasilaczy ocenianych indywidualnie.

Przyjęcie podejścia modułowego dla zasilaczy

Do tej pory istniały dwie opcje wieloszynowe. Jedna wykorzystująca pojedyncze zasilacze wielowyjściowe prądu zmiennego/stałego ze wstępnie skonfigurowanymi, stałymi wyjściami, a tym samym ograniczoną elastycznością. Druga wykorzystująca zestaw odrębnych zasilaczy jednowyjściowych prądu zmiennego/stałego, które można ze sobą łączyć w razie potrzeby.

Ale jest jeszcze jedna opcja: firma MEAN WELL opracowała modułową architekturę prądu zmiennego/stałego, która łączy w sobie elastyczność konfiguracji wyjść ze spełnieniem z dużym zapasem wszystkich adekwatnych norm prawnych, w tym norm medycznych. System firmy MEAN WELL składa się z modułowej obudowy z dołączanymi, wybieranymi przez użytkownika modułami wyjściowymi prądu stałego (ilustracja 5).

Ta obudowa jest dostępna w dwóch wariantach: NMP650-CEKK-03 - czterokanałowa (gniazdowa) obudowa chłodzona konwekcyjnie o mocy 650 watów (W) oraz NMP1K2 - sześciokanałowa obudowa chłodzona wymuszonym powietrzem (wentylatorem) o mocy do 1200 W. Obie obudowy mają płaską konstrukcję mechaniczną o wysokości 1U, dzięki czemu mieszczą się w ograniczonych przestrzeniach (1U to wysokość stelaża wynosząca 1,75”/44,45mm).

Ilustracja 5: system firmy MEAN WELL składa się z modułowej obudowy z czterema lub sześcioma kanałami oraz grupy niezależnych wtykowych modułów wyjściowych prądu stałego. Obudowa NMP1K2 ze zdjętą pokrywą (na górze) i zamontowaną pokrywą (na dole). (Źródło ilustracji: MEAN WELL)

Obudowa zawiera transformator izolacyjny pierwotnej linii prądu zmiennego oraz obwody konwersji/regulacji mocy typu front-end (ilustracja 6). W modelu NMP1K2 prędkość wentylatora jest automatycznie regulowana za pomocą funkcji pomiaru temperatury wewnętrznej, aby utrzymać temperaturę obudowy poniżej wartości granicznych, a jednocześnie minimalizować zużycie energii i hałas. Seria NMP jest zgodna z certyfikatem bezpieczeństwa medycznego według normy IEC 60601-1 (strona pierwotna-wtórna: 2 × MOPP; strona pierwotna-uziemienie: 1 × MOPP), a także z przepisami branżowymi dotyczącymi technologii informacyjnej (IT) IEC 62368-1. Seria spełnia również odpowiednie wymagania dotyczące emisji i odporności w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), w tym wymagania określone (między innymi) w normie EN61000.

Ilustracja 6: obudowa NMP zawiera wymagany transformator prądu zmiennego oraz pierwsze stopnie konwersji mocy i obwody sterujące. (Źródło ilustracji: MEAN WELL)

Kanały (gniazda) obu obudów zawierają moduły wyjściowe prądu stałego o żądanych znamionowych parametrach wyjściowych, np. moduły NMS-240-5 o napięciu 5V (znamionowym) / natężeniu 36A (ilustracje 7 i 8). Inne modele z grupy modułów z jednym wyjściem posiadają wyjścia 12V/20A, 24V/10A i 48V/5A.

Ilustracja 7: moduł NMS-240-5 do obudowy NMP650 i NMP1K2 zapewnia na wyjściu napięcie 5V (znamionowe) przy natężeniu prądu do 36A. (źródło ilustracji: MEAN WELL)

Ilustracja 8: moduł NMS-240-5 5V/36A umieszczany jest w gnieździe obudowy NMP650 i NMP1K2. (Źródło ilustracji: MEAN WELL)

Na potrzeby zastosowań wymagających podwójnych wyjść prądu stałego z jednego modułu wsuwanego firma MEAN WELL oferuje moduł NMD-240 z dwoma wyjściami od 3 do 30V/5A (ilustracja 9).

Ilustracja 9: NMD-240 to moduł zajmujący jedno gniazdo i posiadający dwa wyjścia, który może dostarczać na wyjściu napięcie do 30V przy natężeniu do 5A na obu kanałach. (Źródło ilustracji: MEAN WELL)

Dodatkowe funkcje zwiększają wszechstronność

Charakterystykę zasilacza opisują parametry o najwyższym priorytecie, takie jak dokładność napięcia wyjściowego, odpowiedź impulsowa i przeciążeniowa, stabilność termiczna, regulacja linii, regulacja odbiornika i inne. Istnieją jednak również funkcje, które mogą zwiększyć użyteczność zasilacza, a także umocnić zaufanie użytkowników. W przypadku obudów NMP650 i NMP1K2 firmy MEAN WELL oraz ich modułów wtykowych te dodatkowe funkcje to m.in.:

• Ochrona: zabezpieczenie przed zwarciem, przeciążeniem, przepięciem i nadmierną temperaturą jest wbudowane we wszystkie moduły wyjściowe, przy czym to ostatnie jest wskazywane przez wyjście sygnałowe poziomu TTL z maksymalnym prądem źródłowym 10mA.
• Pomocnicze wyjście zasilania: obudowa NMP650 zapewnia wyjście 5V/1,5A, podczas gdy NMP1K2 zapewnia 5V/10mA. Jest ono przydatne do funkcji pomocniczych, dla których pełnowymiarowy moduł byłby przesadą.
• Dostępna jest również funkcja rozwiązująca problem związany z zasilaczami wielowyjściowymi. W niektórych sytuacjach użytkownicy potrzebują jednego wyłącznika dla całej obudowy i wszystkich wyjść, ale są też sytuacje testowe, a nawet eksploatacyjne, w których istnieje potrzeba indywidualnego sterowania wyjściami, a tym samym niezależnego włączania/wyłączania każdej szyny wyjściowej. Choć obudowa NMP posiada globalne sterowanie włączaniem/wyłączaniem, to każdy moduł wyjściowy prądu stałego można także włączać/wyłączać oddzielnie sygnałem zdalnym lub przełącznikiem lokalnym.
• Wreszcie istnieje możliwość programowania prądu i napięcia modułów. Używając zewnętrznego sygnału prądu stałego od 0 do 1V można zaprogramować napięcie wyjściowe każdego modułu w zakresie od 50 do 100% jego wartości znamionowej, a prąd wyjściowy w zakresie od 40 do 100%.

Podsumowanie

Wybór wielowyjściowych zasilaczy prądu zmiennego/stałego wymaga przeanalizowania aspektów wydajnościowych, funkcjonalnych, zamówieniowych i regulacyjnych. Obudowa NMP firmy MEAN WELL z wyborem kart wyjściowych wtykowych zapewnia projektantom elastyczność w konfiguracji wyjść, a także możliwości, dzięki którym można łatwo i szybko spełnić różnorodne wymagania użytkowników końcowych.