Käytä modulaarisien ja monilähtöisien AC/DC-virtalähteiden tarjoamaa joustavuutta ja konfiguroitavuutta

Järjestelmäsuunnittelijat ja -integraattorit luottavat hyvin suunniteltuihin AC/DC-verkkovirtalähteisiin, jotka tarjoavat sovellusten tarvitsemat jännitetasot tarkasti, vakaasti ja nopealla transienttivasteella. Monet järjestelmät edellyttävät, että AC/DC-virtalähde tarjoaa samanaikaisesti useita toisistaan riippumattomia lähtöjännitteitä (jännitetasoja). Näiden virtalähteiden on myös täytettävä useita lakisääteisiä standardeja koskien mm. sähkömagneettisia häiriöitä (EMI), radiotaajuushäiriöitä (RFI), hyötysuhdetta ja käyttäjien perusturvallisuutta. Lääketieteellisten sovellusten suunnittelijoiden on otettava huomioon myös muita standardeja, jotka koskevat sallittua vuotovirtaa ja erilaisia potilaiden suojausmenetelmiä (MOPP).

Näiden sovellusten tarpeisiin on saatavana monilähtöisiä virtalähteitä, jotka tarjoavat valikoiman esiasetettuja lähtöjännitteitä ja -virtoja. Nämä esiasetetut monilähtöiset AC/DC-virtalähteet voivat kuitenkin monimutkaistaa osaluetteloa ja varastonhallintaa, sillä tarpeet muuttuvat usein. Ne rajoittavat myös joustavuutta, jos eri tuotteille tarvitaan erilaisia monilähtöisiä virtalähteitä, erityisesti pienen volyymin erikoistuneissa lopputuotteissa. Modulaarisen AC/DC-lähestymistavan käyttö on monissa tapauksissa parempi vaihtoehto suunnittelijoiden kannalta.

Tässä artikkelissa tarkastellaan tämän lähestymistavan ominaisuuksia ja hyötyjä lääketieteellisissä, teollisissa ja testisovelluksissa erityisesti silloin, kun tarvitaan uniikkeja tai räätälöityjä ratkaisuja. Sen jälkeen siinä esitellään korkean suorituskyvyn modulaariset AC/DC-virtalähteet valmistajalta MEAN WELL Enterprises Co., Ltd. ja näytetään, miten niitä käytetään.

Virtalähdekonfiguraatiot monilähtöisiä vaatimuksia varten

On tavallista, että järjestelmä tarvitsee useita DC-jännitetasoja sekä sisäiseen käyttöön että sen ulkoista kuormaa varten. Esimerkiksi prosessorin ympärillä oleva logiikka ja digitaaliset piirit edellyttävät yleensä alhaisia, yksinumeroisia jännitetasoja, kun taas kuorma ja sen ohjain vaativat usein korkeampia jännitteitä tai erilaisia virtaluokituksia.

Monissa tilanteissa tarvittavien DC-lähtöjännitteiden ja niiden enimmäisvirtaluokitusten luettelo ei ole kiinteä ja muuttumaton kahdesta syystä:

• Joitakin näistä jännitetasoista ja virtatasoista on muutettava, kun samaa perusrakennetta käytetään erilaisille kuormille, esimerkkinä pieni moottori, lediryhmä tai lääketieteellinen skannausjärjestelmä. Samaa kuormitustyyppiä voi myös esiintyä erilaisina kokoina.
• Vaikka tuotteella tai tuoteperheellä olisi kiinteät DC-lähtövaatimukset, yrityksillä on usein tuotevalikoimassaan monia toisiinsa liittyviä tuotteita, joista jokainen tarvitsee erilaisen virtalähderatkaisun.

Suunnittelijoilla on kaksi vaihtoehtoa näiden erilaisten tarpeiden täyttämiseen:

• He voivat käyttää erillisiä monilähtöisiä virtalähteitä, jotka hankitaan kunkin tuoteversion vaatimilla lähtöjännitetasoilla. Tällaisten ei-konfiguroitavien virtalähteiden käyttö lisää varastonhallintaan ja toimitusketjuun liittyviä ongelmia sekä aiheuttaa vähentää tehokkuutta ennustamisessa, tilaamisessa, varastoinnissa ja toimitusajoissa.
• He voivat käyttää yksilähtöisten AC/DC-virtalähteiden (moduulien) yhdistelmää kunkin tuoteversion jännitetarpeiden täyttämiseen. Tämä helpottaa jossain määrin varasto- ja toimitusketjuongelmissa, mutta saattaa myös lisätä suunnittelu- ja kokoonpanohaasteita. Syynä on se, että eri virtalähteillä voi myös olla erilaiset pohjapinta-alat, tilavuudet ja asennusvaatimukset. Seurauksena on, että koko tuotekokoonpano voidaan joutua järjestämään uudelleen jokaista yksittäistä konfigurointia varten.

Vaikka tämä näyttää ”paperilla” vähäpätöiseltä ongelmalta (kuva 1), käytännön vaikutuksena voi olla ei-toivottujen seurausten ”aaltovaikutus”.

Kuva 1: Yhden monilähtöisen virtalähteen ja useiden yksilähtöisten virtalähteiden käytön välinen ero näyttää vaatimattomalta, mutta käytännön vaikutukset toimitusketjuun ja tuotantoprosessiin voivat olla suuret. (Kuvan lähde: Bill Schweber)

Lääketieteelliset sovellukset asettavat lisävaatimuksia

Kumpi vaihtoehdoista on parempi, riippuu tilanteen erityispiirteistä sekä kompromissien ja prioriteettien välisestä tasapainosta suhteessa suunnittelun tavoitteisiin. Moniin lääketieteellisiin sovelluksiin, joissa fyysinen kosketus potilaan ja AC/DC-virtalähteellä toimivan laitteen välillä on mahdollista, liittyy kuitenkin lisärajoitteita, jotka vaikuttavat valintaan kahden mainitun vaihtoehdon väliltä.

On myös lakisääteisiä määräyksiä, ennen kaikkea IEC 60601-1, sekä muita standardeja, jotka säätävät virtalähteiden käytöstä useissa sovelluksissa, esimerkkinä tieto- ja tietokonetekniikkaa (kuluttajatuotteet mukaan lukien) koskeva IEC 62368-1, joka on korvannut kokonaan aikaisemmat standardit IEC 60950-1 ja IEC 60065 joulukuussa 2020.

Virtalähdettä valittaessa suunnittelijoiden on otettava huomioon sekä suunnitteluvaatimukset että määräykset. Esimerkiksi vuotovirta, joka on suojamaadoitusjohtimen kautta maahan virtaava sähkövirta, on huomioitava. Jos hyvä maadoitusliitäntä puuttuu - ja standardi lähtee siitä, että liitäntä voi tosiaankin puuttua - virta voi kulkea mistä tahansa johtavasta osasta tai ei-johtavien osien pinnasta maahan. Johtavana reittinä tässä voi toimia ihmiskeho ja tämä aiheuttaa mahdollisen hengenvaaran.

Lääketieteellisissä sovelluksissa suurin sallittu vuotovirta on paljon pienempi kuin muissa tavallisissa sovelluksissa. Syynä on se, että tämä virta voi aiheuttaa sydämenpysähdyksen, jos se kulkee kehon ja erityisesti rintakehän läpi. Tähän riittää hyvin alhainen alle milliampeerin virta. ”Normaaleissa” käyttötilanteissa tämä virta on nolla tai lähes nolla, mutta standardissa huomioidaan mahdollinen vika, joka aiheuttaa virran kulun kehon läpi.

Miten tämä vaikuttaa valintaan kahden tavan välillä useiden AC/DC-jännitetasojen tarjoamiseksi? Vaikka toinen vaihtoehto vaikuttaa houkuttelevalta - ja näin voi olla joissakin tapauksissa - se tuo mukanaan hienovaraisen, mutta tärkeän teknisen näkökohdan lakisääteisten määräysten vuoksi. Standardin mukaan vuotovirta mitataan koko lopputuotteelle, eikä yksittäisten virtalähteiden vuotovirtoja. Vaikka yksittäisen monilähtöisen virtalähteen vuotovirta voi alittaa sallitun enimmäisarvon (kuva 2), useiden yksilähtöisten virtalähteiden vuotovirtojen summa voi ylittää tämän rajan, vaikka jokainen yksilähtöinen virtalähde alittaisi sen (kuva 3).

Kuva 2: Yleisin tapa tarjota useita DC-lähtöjä on käyttää yhtä monilähtöistä AC/DC-virtalähdettä, jossa on esiasetetut lähtöjännitearvot ja määritelty enimmäisvuotovirta. (Kuvan lähde: MEAN WELL)

Kuva 3: Yksi vaihtoehto on tarjota useita DC-lähtöjä käyttämällä useita yksittäisiä yksilähtöisiä AC/DC-virtalähteitä, mutta niiden vuotovirrat lasketaan yhteen ja yhteenlaskettu summa saattaa ylittää sallitut rajat. (Kuvan lähde: MEAN WELL)

Monissa lääketieteellisissä järjestelmissä on erityisenä lisävaatimuksena se, että niissä vaaditaan kahta MOPP-tasoa yhden ainoan MOPP-tason sijasta. Tämä on lisävaatimus, joka parantaa turvallisuutta potilasvahinkojen varalta, jos yksi MOPP-taso pettää. Vastaavia vaatimuksia on myös käyttäjän suojausmenetelmille (MOOP).

Vaikka MOPP voidaan toteuttaa eri tavoilla tuotteen virtapiirissä tehoalijärjestelmän ulkopuolella, se toteutetaan yleensä tuotteen tehoalijärjestelmässä käyttämällä erotusmuuntajaa (muuntajia, jotka täyttävät lääketieteelliset lakisääteiset standardit, katsotaan MOPP-tasoisiksi). Maapaluun puuttuminen muuntajan toisiopuolelta muodostaa yhdessä muiden vaatimusten kanssa yhden MOPP-tason, kun taas ensiö- ja toisiopuolen tarjoama erotus on toinen MOPP (kuva 4).

Kuva 4: Erotusmuuntaja sekä ensiö- ja toisiokäämipari synnyttävät MOPP-tason AC-käyttöisissä virtalähteissä. (Kuvan lähde: MEAN WELL)

Haastetta lisäävät myös standardit, joissa määritellään hyötysuhdevaatimukset. Kuten vuotovirrankin kohdalla, näissä standardeissa tarkastellaan järjestelmän kokonaishyötysuhdetta määritellyissä käyttöolosuhteissa ja tehotasoilla. Vaikka useaa jännitetasoa käyttävän järjestelmän yksittäiset virtalähteet täyttäisivätkin standardit, viranomaishyväksyntä perustuu kokonaisjärjestelmän hyötysuhteeseen, eikä yksittäisesti arvioituihin virtalähteisiin.

Käytä virtalähteissä modulaarista lähestymistapaa

Tähän saakka usean jännitetason vaihtoehtoja on ollut kaksi: toisessa käytetään yhtä monilähtöistä AC/DC-virtalähdettä esiasetetuilla, kiinteillä lähdöillä ja siten joustavuus on rajallista; toisessa käytetään useita erillisiä yksilähtöisiä AC/DC-virtalähteitä, joita voidaan yhdistää tarpeen mukaan.

Mutta vaihtoehtoja on enemmän: MEAN WELL on kehittänyt modulaarisen AC/DC-arkkitehtuurin, jolla lähtöjen konfigurointi on joustavaa ja joka täyttää kaikki asiaankuuluvat lakisääteiset standardit, myös lääketieteelliset. MEAN WELL -järjestelmä koostuu modulaarisesta kotelosta, johon voidaan lisätä käyttäjän valitsemia DC-lähtömoduuleja (kuva 5).

Tätä koteloa on saatavana kahta eri kokoa: NMP650-CEKK-03 on nelikanavainen (liitäntäpaikka) konvektiojäähdytteinen kotelo, jonka nimellisteho on 650 wattia (W), ja NMP1K2 on kuusikanavainen ja ilmajäähdytteinen kotelo tuulettimella, jonka nimellisteho on 1200 W. Molemmat kotelot käyttävät kapeaa mekaanista muotoa 1U ja sopivat ahtaisiin tiloihin (1U vastaa 44,45 millimetrin (mm) räkkikorkeutta).

Kuva 5: MEAN WELL -järjestelmä koostuu modulaarisesta kotelosta, jossa on neljä tai kuusi kanavaa, sekä itsenäisten liitettävien DC-lähtömoduulien perheestä. NMP1K2 on kuvassa ilman kantta (ylhäällä) ja kansi paikallaan (alhaalla). (Kuvan lähde: MEAN WELL)

Tämä kotelo sisältää AC-ensiöerotusmuuntajan ja etuasteen tehomuunnos/säätöpiirin (kuva 6). NMP1K2:ssa laitteen sisäisen lämpötilan mittaustoiminto säätää automaattisesti tuulettimen nopeutta, jotta kotelo pysyy lämpörajojen alapuolella ja samalla energiankulutus ja akustinen melu minimoituvat. NMP-sarja täyttää IEC 60601-1 -standardin mukaisen lääketieteellisen turvallisuussertifioinnin (ensiö-toisio: 2 × MOPP; ensiö-maa: 1 × MOPP) sekä informaatioteknologia-alan (IT) IEC 62368-1 -standardin vaatimukset. Sarja täyttää myös asiaankuuluvat sähkömagneettista yhteensopivuutta (EMC) koskevat emissio- ja sietovaatimukset, mukaan lukien (mutta rajoittumatta) EN61000-standardissa määritellyt vaatimukset.

Kuva 6: NMP-kotelo tarjoaa tarvittavan AC-verkkomuuntajan sekä tehomuunnos- ja ohjauspiirien ensimmäiset asteet. (Kuvan lähde: MEAN WELL)

Kummankin kotelon kanaviin (liitäntäpaikkoihin) asennetaan DC-lähtömoduulit, joilla on halutut lähtöarvot, esimerkkinä NMS-240-5-moduuli. Tämän yksikön nimellisarvot ovat 5 volttia ja 36 ampeeria (A) (kuva 7 ja kuva 8). Muut yksilähtöisen moduuliperheen mallit tarjoavat lähtöinä 12 volttia/20 A, 24 volttia/10 A ja 48 volttia/5 A.

Kuva 7: NMP650- ja NMP1K2-koteloille tarkoitettu NMS-240-5-moduuli tarjoaa 5 volttia (nimellisjännite) ja jopa 36 A. (Kuvan lähde: MEAN WELL)

Kuva 8: 5 V/36 A NMS-240-5-moduuli työnnetään NMP650- ja NMP1K2-kotelossa olevaan liitäntäpaikkaan. (Kuvan lähde: MEAN WELL)

MEAN WELL tarjoaa 3–30 V/5 A kaksilähtömoduulin NMD-240 (kuva 9) sovelluksiin, joissa tarvitaan kaksi DC-lähtöä yksipaikkaisessa sisääntyönnettävässä moduulissa.

Kuva 9: NMD-240 on kahdella lähdöllä varustettu yhden liitäntäpaikan moduuli, joka tarjoaa jopa 30 volttia ja 5 A molemmilla kanavilla. (Kuvan lähde: MEAN WELL)

Lisäominaisuudet lisäävät monipuolisuutta

Virtalähteen suorituskyky määräytyy sen tärkeimpien parametrispesifikaatioiden, kuten lähtöjännitteen tarkkuuden, transientti- ja ylikuormitusvasteen, lämpötilastabiiliuden, linjan reguloinnin, kuorman reguloinnin ja muiden parametrien mukaan. On kuitenkin myös ominaisuuksia, jotka voivat lisätä virtalähteen hyödyllisyyttä ja käyttäjien luottamusta. MEAN WELL NMP650- ja NMP1K2-koteloissa ja niiden liitäntämoduuleissa näitä lisäominaisuuksia ovat:

• Suojaus: Oikosulku-, ylikuormitus-, ylijännite- ja ylikuumenemissuojaus on sisäänrakennettu kaikkiin lähtömoduuleihin, joista jälkimmäisen ilmaisee TTL-tasoinen signaalilähtö 10 milliampeerin (mA) enimmäislähdevirralla.
• Lisävirtalähtö: NMP650-kotelo tarjoaa 5 voltin/1,5 A:n lähdön, kun taas NMP1K2-kotelo tarjoaa 5 voltin/10 mA:n lähdön. Tämä on hyödyllinen lisätoimintoihin, joihin täysikokoinen moduuli olisi liian suuri.
• Laitteissa on myös ominaisuus, joka ratkaisee monilähtöisiin virtalähteisiin liittyvän ongelman. Joissakin tilanteissa käyttäjät tarvitsevat yhden ainoan virta päälle/pois -kytkimen koko kotelolle ja kaikille lähdöille. On kuitenkin myös testaustilanteita ja jopa käyttötilanteita, joissa lähtöjä täytyy ohjata yksitellen ja joissa jokainen jännitetaso on voitava kytkeä erikseen päälle/pois. NMP-kotelossa on yleinen päälle/pois-ohjaus, kun taas kukin DC-lähtömoduuli voidaan kytkeä erikseen päälle/pois kaukosignaalilla tai paikallisella kytkimellä.
• Lisäksi moduulien virta ja jännite on ohjelmoitavissa. Jokaisen moduulin lähtöjännite voidaan ohjelmoida ulkoisen 0–1 V:n DC-signaalin avulla 50–100 prosenttiin sen nimellisarvosta, ja sen lähtövirta 40–100 prosenttiin.

Yhteenveto

Monilähtöisten AC/DC-virtalähteiden valinnassa täytyy ottaa huomioon suorituskykyyn, toimintoihin, ominaisuuksiin, hankintaan ja lakisääteisiin standardeihin liittyviä näkökohtia. MEAN WELL NMP -kotelo tarjoaa valikoiman kytkettäviä lähtökortteja. Tämä tarjoaa suunnittelijoille joustavuutta lähtöjen konfigurointiin sekä ominaisuuksia, jotka täyttävät helposti ja nopeasti erilaiset loppukäyttäjävaatimukset.