Utilizzare gli alimentatori c.a./c.c. modulari multi-uscita per la flessibilità e la configurabilità

I progettisti e gli integratori di sistemi si affidano ad alimentatori c.a./c.c. in linea ben progettati e funzionanti per fornire i rail di tensione necessari alle applicazioni con precisione, stabilità e rapida risposta ai transitori, tra gli altri fattori di prestazione. Molti sistemi richiedono che l'alimentazione c.a./c.c. fornisca simultaneamente diverse tensioni di uscita indipendenti (rail). Questi alimentatori devono anche soddisfare molteplici standard normativi in termini di interferenze elettromagnetiche (EMI), interferenze in radiofrequenza (RFI), efficienza e protezione di base dell'utente. Per i progettisti di applicazioni medicali, ci sono anche standard aggiuntivi riguardanti la corrente di dispersione consentita e i molteplici mezzi di protezione del paziente (MOPP).

Per soddisfare le esigenze di queste applicazioni, sono disponibili alimentatori multi-uscita che offrono varie tensioni e correnti di uscita preimpostate. Tuttavia, questi alimentatori c.a./c.c. preimpostati multi-uscita possono complicare la distinta base e la gestione delle scorte, poiché le esigenze cambiano spesso. Limitano anche la flessibilità se sono necessari diversi alimentatori multi-uscita per prodotti diversi, specialmente per prodotti finali specializzati e a basso volume. In molti casi un'alternativa migliore per i progettisti è un approccio modulare c.a./c.c.

Questo articolo esaminerà le caratteristiche e i vantaggi di questo approccio per le applicazioni medicali, industriali e di test, soprattutto quando sono necessarie disposizioni uniche o personalizzate. Presenterà poi gli alimentatori modulari c.a./c.c. ad alte prestazioni di MEAN WELL Enterprises Co., Ltd. e ne spiegherà l'uso.

Configurazioni dell'alimentazione per requisiti multi-uscita

È normale che un sistema richieda più rail c.c. per l'uso interno, così come per il suo carico esterno. Ad esempio, la logica centrata sul processore e la circuiteria digitale di solito richiedono bassi livelli del rail di alimentazione, mentre il carico e il suo circuito di pilotaggio spesso richiedono tensioni più alte o diversi valori di corrente.

In molte situazioni, l'elenco specifico delle tensioni di uscita c.c. necessarie e le loro massime correnti nominali non è fisso e immutabile, per due motivi:

• Alcune di queste tensioni e correnti di rail dovranno cambiare quando lo stesso progetto di base viene utilizzato per carichi diversi - un piccolo motore, un array di LED o un sistema di scansione - rispetto a versioni più grandi dello stesso tipo.
• Anche se il prodotto o la famiglia di prodotti ha requisiti di uscita c.c. fissi, le aziende hanno spesso più prodotti correlati nel loro portafoglio, ognuno con un accordo di fornitura diverso.

Per soddisfare queste diverse esigenze, i progettisti hanno due opzioni:

• Possono usare alimentatori separati a più uscite acquistati con le tensioni di uscita necessarie per ogni versione del prodotto. L'uso di tali alimentatori non configurabili aggiunge problemi alla gestione delle scorte e alla supply chain, e porta con sé inefficienze di previsione, ordinazione, stoccaggio e tempi di consegna.
• Possono usare un mix di alimentatori c.a./c.c. a uscita singola (moduli) per soddisfare le esigenze di ogni versione del prodotto. Questo semplifica l'inventario e i problemi della supply chain in un certo senso, ma può anche comportare nuove sfide per il design-in e l'assemblaggio. La ragione è che i vari alimentatori possono avere anche ingombri, volumi e considerazioni di montaggio diversi. Ne consegue la possibile necessità di riorganizzare l'intero gruppo per ogni configurazione univoca.

Anche se questo "in teoria" sembra un problema di poca importanza (Figura 1), l'effetto pratico può essere un indesiderato "effetto a catena" di conseguenze.

Figura 1: La differenza tra l'uso di un singolo alimentatore multi-uscita rispetto a più alimentatori a uscita singola sembra modesta, ma le implicazioni pratiche per la supply chain e il processo di produzione possono essere enormi. (Immagine per gentile concessione di Bill Schweber)

Le applicazioni medicali aggiungono ulteriori requisiti

L'opzione migliore dipende dalle specificità della situazione, così come l'equilibrio tra i compromessi e le priorità rispetto agli obiettivi del progetto. Tuttavia, ci sono ulteriori vincoli per le applicazioni medicali che coinvolgono il contatto fisico con un paziente e uno strumento che funziona da un'alimentazione c.a./c.c., influenzando la scelta tra le due opzioni citate.

Ci sono mandati normativi, in primis IEC 60601-1, oltre agli altri standard che regolano gli alimentatori utilizzati in applicazioni più ampie, come IEC 62368-1 per tecnologie informatiche (compresi i prodotti consumer), che ha completamente sostituito gli standard esistenti IEC 60950-1 e IEC 60065 nel dicembre 2020.

Nella scelta dell'alimentatore, i progettisti devono considerare i requisiti di progettazione e le normative. Ad esempio, esiste la questione della corrente di dispersione, ossia la corrente che scorre attraverso il conduttore a massa di protezione verso terra. In assenza di un buon collegamento a terra - e la norma presuppone che il collegamento possa effettivamente mancare - è la corrente che potrebbe scorrere da qualsiasi parte conduttiva o dalla superficie di parti non conduttive a terra se fosse disponibile un percorso conduttivo, come il corpo umano, che costituisce un possibile pericolo di vita.

Per le applicazioni medicali, la corrente di dispersione massima consentita è molto inferiore a quella di altre applicazioni generali. La ragione è che questa corrente può causare l'arresto cardiaco se attraversa il corpo e specialmente il torace, anche a livelli molto bassi nell'ordine dei sub-milliampere. In circostanze operative "normali", questa corrente sarà zero o quasi zero, ma la norma presume che potrebbe verificarsi un guasto e quindi indurre un flusso di corrente attraverso il corpo.

Come influisce tutto ciò sulla scelta tra i due modi di rispondere alla necessità di più rail di alimentazione c.a./c.c.? Anche se la seconda opzione sembra attraente - e può esserlo in alcuni casi - implica una sottile ma importante considerazione tecnica dovuta ai mandati normativi. Lo standard normativo misura la corrente di dispersione per l'intero prodotto finale, non per i singoli alimentatori che lo costituiscono. Quindi, mentre un singolo alimentatore multi-uscita può avere una corrente di dispersione inferiore al massimo consentito (Figura 2), la somma delle correnti di dispersione di più alimentatori a uscita singola può superare tale limite, anche se ogni alimentatore a uscita singola è al di sotto (Figura 3).

Figura 2: Il modo più comune per fornire più uscite c.c. è quello di utilizzare un singolo alimentatore c.a./c.c. multi-uscita con valori di tensione di uscita preimpostati e una corrente di dispersione massima specificata. (Immagine per gentile concessione di MEAN WELL)

Figura 3: Un'alternativa è quella di fornire più uscite c.c. utilizzando una serie di singoli alimentatori c.a./c.c. a uscita singola, ma le loro correnti di dispersione si sommano e possono superare i limiti consentiti. (Immagine per gentile concessione di MEAN WELL)

In secondo luogo, in molti sistemi medicali esiste un requisito unico di 2 MOPP e non 1 MOPP; questo è un requisito extra per fornire una garanzia aggiuntiva contro i danni al paziente qualora 1 MOPP dovesse venir meno. Vi sono anche requisiti corrispondenti per i mezzi di protezione dell'operatore (MOOP).

Mentre sono vari i modi per implementare MOPP nel circuito di un prodotto al di fuori del sottosistema di alimentazione, ciò avviene tipicamente all'interno del sottosistema di alimentazione del prodotto mediante un trasformatore di isolamento (i trasformatori che soddisfano gli standard normativi specifici per il settore medicale sono considerati 1 MOPP). L'assenza di un ritorno di massa dal lato secondario del trasformatore, insieme ad altri mandati, fornisce 1 MOPP, mentre l'isolamento fornito dal primario/secondario è un secondo MOPP (Figura 4).

Figura 4: Il trasformatore isolato e la coppia di avvolgimenti primario-secondario forniscono un MOPP negli alimentatori a corrente alternata. (Immagine per gentile concessione di MEAN WELL)

Vi sono anche norme che definiscono i requisiti di efficienza, che contribuiscono al problema. Come per la corrente di dispersione, questi standard guardano all'efficienza totale del sistema in condizioni operative e a livelli di potenza definiti. Anche se i singoli alimentatori in un sistema a rail multipli soddisfano gli standard, l'approvazione normativa si basa sull'efficienza del sistema completo, non sugli alimentatori sottostanti valutati individualmente.

L'approccio modulare per gli alimentatori

Finora, si avevano due opzioni multi-rail: una che utilizza un singolo alimentatore c.a./c.c. multi-uscita con uscite fisse preimpostate e quindi con una flessibilità limitata; l'altra che utilizza una serie di alimentatori c.a./c.c. a uscita singola distinti, da combinare secondo necessità.

Ma esiste un'altra opzione: MEAN WELL ha sviluppato un'architettura modulare c.a./c.c. che combina la flessibilità della configurazione dell'uscita superando tutti gli standard normativi pertinenti, compresi quelli medici. Il sistema MEAN WELL consiste in un telaio modulare con moduli di uscita c.c. aggiuntivi, selezionabili dall'utente (Figura 5).

Questo telaio è disponibile in due capacità: NMP650-CEKK-03, un telaio a quattro canali (slot) raffreddato per convezione con una potenza di 650 W e NMP1K2, un telaio a sei canali, raffreddato ad aria forzata (ventola) con una potenza di 1200 W. Entrambi hanno un design meccanico sottile 1U per adattarsi ai vincoli di spazio ristretto (1U equivale a 1,75 pollici/44,45 mm di altezza del rack).

Figura 5: Il sistema MEAN WELL consiste in un telaio modulare con quattro o sei canali, più una famiglia di moduli di uscita c.c. a innesto indipendenti. NMP1K2 è mostrato senza il coperchio (in alto) e chiuso (in basso). (Immagine per gentile concessione di MEAN WELL)

Questo telaio contiene il trasformatore primario di isolamento della linea c.a. e i circuiti di conversione/regolazione dell'alimentazione front-end (Figura 6). Per NMP1K2, la velocità della ventola è regolata automaticamente attraverso la funzione di rilevamento della temperatura interna per mantenere il telaio al di sotto dei limiti termici, minimizzando l'uso di energia e il rumore acustico. La serie NMP soddisfa la certificazione di sicurezza medica secondo IEC 60601-1 (Primario-Secondario: 2 MOPP; Primario-Terra: 1 MOPP), così come la normativa di settore delle tecnologie dell'informazione (IT) IEC 62368-1. La serie soddisfa anche i pertinenti mandati di emissione e immunità di compatibilità elettromagnetica (EMC), compresi quelli specificati da (ma non limitati a) EN61000.

Figura 6: Il telaio NMP fornisce il trasformatore di linea c.a. necessario e i primi stadi di conversione di potenza e i circuiti di controllo. (Immagine per gentile concessione di MEAN WELL)

I canali (slot) dell'uno o dell'altro telaio sono popolati con moduli di uscita c.c. con i valori di uscita desiderati, come NMS-240-5, un'unità da 5 V (nominale)/36 A (Figura 7 e Figura 8). Altri modelli della famiglia di moduli a uscita singola forniscono uscite da 12 V/20 A, 24 V/10 A e 48 V/5 A.

Figura 7: Il modulo NMS-240-5 per i telai NMP650 e NMP1K2 fornisce 5 V (nominali) fino a 36 A. (Immagine per gentile concessione di MEAN WELL)

Figura 8: Il modulo NMS-240-5 da 5 V/36 A si inserisce in uno slot del telaio NMP650 e NMP1K2. (Immagine per gentile concessione di MEAN WELL)

Per le applicazioni che richiedono due uscite c.c. da un singolo modulo slide-in, MEAN WELL offre NMD-240, un modulo a doppia uscita da 3 a 30 V/5 A (Figura 9).

Figura 9: NMD-240 è un modulo a slot singolo e doppia uscita che può erogare fino a 30 V a 5 A su entrambi i canali. (Immagine per gentile concessione di MEAN WELL)

Le caratteristiche aggiuntive migliorano la versatilità

Le prestazioni di un alimentatore sono caratterizzate dalle sue specifiche per quanto riguarda i parametri di massima priorità come la precisione della tensione di uscita, la risposta ai transitori e al sovraccarico, la stabilità della temperatura, la regolazione di linea, la regolazione del carico e altri. Tuttavia, vi sono anche caratteristiche che possono aumentare l'utilità dell'alimentatore e la tranquillità dell'utente. Per i telai NMP650 e NMP1K2 di MEAN WELL e i moduli innestabili, queste caratteristiche includono:

• Protezione: la protezione da cortocircuito, sovraccarico, sovratensione e sovratemperatura è integrata in tutti i moduli di uscita; quest'ultima è indicata da un'uscita di segnale a livello TTL con una sorgente di corrente massima di 10 mA.
• Uscita di alimentazione ausiliaria: il telaio NMP650 fornisce un'uscita da 5 V/1,5 A, mentre NMP1K2 fornisce 5 V/10 mA, utile per funzioni di supporto in cui un modulo di dimensioni standard sarebbe eccessivo.
• Esiste anche una funzione che risolve un problema legato agli alimentatori multi-uscita. In alcune situazioni, gli utenti hanno bisogno di un singolo controllo on/off per l'intero telaio e tutte le uscite, ma altre situazioni di test e operative hanno la necessità di controllare le uscite individualmente e quindi di accendere e spegnere indipendentemente ogni rail di uscita. Il telaio NMP dispone di un controllo on/off globale, mentre ogni modulo di uscita c.c. può essere acceso/spento individualmente da un segnale remoto, così come da un interruttore locale.
• Infine, c'è la programmabilità della corrente e della tensione dei moduli. Usando un segnale esterno da 0 a 1 V c.c., la tensione di uscita di ogni modulo può essere programmata tra il 50 e il 100% del suo valore nominale, e la sua corrente di uscita programmata dal 40 al 100%.

Conclusione

La scelta di alimentatori c.a./c.c. multi-uscita implica considerazioni su prestazioni, funzioni, caratteristiche, approvvigionamento e standard normativi. Il telaio NMP di MEAN WELL con una scelta di schede di uscita innestabili offre ai progettisti la flessibilità nella configurazione dell'uscita, insieme a capacità che possono facilmente e rapidamente soddisfare diverse esigenze degli utenti finali.