Verwenden Sie modulare AC/DC-Netzteile mit mehreren Ausgängen für Flexibilität und Konfigurierbarkeit

Systementwickler und -integratoren verlassen sich auf gut konzipierte, netzbetriebene AC/DC-Stromversorgungen, um die erforderlichen Spannungsschienen für Anwendungen bereitzustellen, und zwar mit Genauigkeit, Stabilität und schnellem Einschwingverhalten, neben anderen Leistungsfaktoren. Viele Systeme erfordern, dass die AC/DC-Versorgung gleichzeitig mehrere unabhängige Ausgangsspannungen (Schienen) bereitstellt. Diese Stromversorgungen müssen außerdem mehrere Normen erfüllen, die elektromagnetische Störungen (EMI), Hochfrequenzstörungen (RFI), Effizienz und grundlegende Benutzersicherheit abdecken. Für Entwickler von medizinischen Anwendungen gibt es außerdem zusätzliche Normen bezüglich des zulässigen Ableitstroms und der mehrfachen Mittel zum Schutz des Patienten (MOPP).

Um den Anforderungen dieser Anwendungen gerecht zu werden, sind Netzteile mit mehreren Ausgängen erhältlich, die eine Reihe von voreingestellten Ausgangsspannungen und -strömen bieten. Diese voreingestellten AC/DC-Netzteile mit mehreren Ausgängen können jedoch die Stückliste und das Bestandsmanagement erschweren, da sich der Bedarf häufig ändert. Außerdem schränken sie die Flexibilität ein, wenn für verschiedene Produkte unterschiedliche Mehrfachausgangsversorgungen benötigt werden, insbesondere bei speziellen Endprodukten mit geringen Stückzahlen. Eine bessere Alternative für Konstrukteure ist in vielen Fällen die Verwendung eines modularen AC/DC-Ansatzes.

Dieser Artikel befasst sich mit den Merkmalen und Vorteilen dieses Ansatzes für medizinische, industrielle und Testanwendungen, insbesondere dort, wo einzigartige oder kundenspezifische Anordnungen erforderlich sind. Anschließend werden leistungsstarke modulare AC/DC-Versorgungen von MEAN WELL Enterprises Co., Ltd. vorgestellt und gezeigt, wie sie verwendet werden.

Versorgungskonfigurationen für Multi-Ausgangsanforderungen

Es ist normal, dass ein System mehrere DC-Schienen für den internen Gebrauch sowie für seine externe Last benötigt. Zum Beispiel benötigen die prozessorzentrierte Logik und die digitalen Schaltungen in der Regel niedrige, einstellige Versorgungsschienen, während die Last und ihr Treiber oft höhere Spannungen oder andere Stromstärken erfordern.

In vielen Situationen ist die spezifische Auflistung der benötigten DC-Ausgangsspannungen und ihrer maximalen Nennströme aus zwei Gründen nicht fest und unveränderlich:

• Einige dieser Schienenspannungen und -ströme müssen sich ändern, wenn dieselbe Grundkonstruktion für unterschiedliche Lasten verwendet wird, z. B. ein kleiner Motor, eine LED-Anordnung oder ein medizinisches Scanning-System im Vergleich zu größeren Versionen desselben Typs.
• Selbst wenn das Produkt oder die Produktfamilie feste DC-Ausgangsanforderungen hat, haben Unternehmen oft mehrere verwandte Produkte in ihrem Portfolio, bei denen jedes eine andere Versorgungsanordnung benötigt.

Um diese unterschiedlichen Anforderungen zu erfüllen, haben Entwickler zwei Möglichkeiten:

• Sie können separate Netzteile mit mehreren Ausgängen verwenden, die mit den für jede Version des Produkts benötigten Ausgangsschienenspannungen beschafft werden. Die Verwendung solcher nicht konfigurierbarer Verbrauchsmaterialien führt zu zusätzlichen Problemen bei der Bestandsverwaltung und der Lieferkette sowie zu Ineffizienzen bei Prognosen, Bestellungen, Lagerhaltung und Vorlaufzeiten.
• Sie können eine Mischung aus AC/DC-Einzelausgangsversorgungen (Modulen) verwenden, um die Anforderungen der jeweiligen Produktversion zu erfüllen. Dies vereinfacht die Lagerhaltung und die Lieferkette bis zu einem gewissen Grad, kann aber auch zu zusätzlichen Herausforderungen bei der Implementierung und der Montage führen. Der Grund dafür ist, dass die verschiedenen Versorgungen auch unterschiedliche Footprints, Volumina und Montageüberlegungen haben können. Das Ergebnis ist, dass für jede einzelne Konfiguration eine Neuanordnung der kompletten Produktbaugruppe erforderlich sein kann.

Obwohl dies auf dem Papier wie ein geringfügiges Problem aussieht (Abbildung 1), kann es in der Praxis zu einem unerwünschten „Schneeballeffekt“ kommen.

Abbildung 1: Der Unterschied zwischen der Verwendung eines einzigen Netzteils mit mehreren Ausgängen und mehreren Netzteilen mit einem Ausgang sieht bescheiden aus, aber die praktischen Auswirkungen auf die Lieferkette und den Produktionsprozess können groß sein. (Bildquelle: Bill Schweber)

Medizinische Anwendungen stellen zusätzliche Anforderungen

Welche Option die bessere ist, hängt von den Besonderheiten der Situation ab, sowie von der Abwägung zwischen Kompromissen und Prioritäten im Vergleich zu den Designzielen. Es gibt jedoch zusätzliche Einschränkungen für die vielen medizinischen Anwendungen, die einen physischen Kontakt mit einem Patienten und einem Gerät, das mit einer AC/DC-Versorgung betrieben wird, beinhalten, was die Wahl zwischen den beiden genannten Optionen beeinflusst.

Es gibt gesetzliche Vorgaben, vor allem IEC 60601-1, zusätzlich zu den anderen Normen, die Stromversorgungen in breiteren Anwendungen regeln, wie z. B. IEC 62368-1 für Informations- und Computertechnik (einschließlich Verbraucherprodukte), die im Dezember 2020 die bestehenden Normen IEC 60950-1 und IEC 60065 vollständig ersetzt.

Bei der Auswahl des Netzteils müssen Entwickler sowohl die konstruktiven Anforderungen als auch die Vorschriften berücksichtigen. Zum Beispiel gibt es das Problem des Ableitstroms, also des Stroms, der durch den Schutzleiter zur Erde fließt. In Ermangelung einer guten Erdungsverbindung - und die Norm geht davon aus, dass die Verbindung tatsächlich fehlen kann - ist es der Strom, der von jedem leitfähigen Teil oder der Oberfläche nicht leitfähiger Teile zur Erde fließen könnte, wenn ein leitfähiger Pfad vorhanden wäre, wie z. B. ein menschlicher Körper, der eine mögliche lebensbedrohliche Gefahr darstellt.

Für medizinische Anwendungen ist der zulässige maximale Ableitstrom viel geringer als für andere allgemeine Anwendungen. Der Grund dafür ist, dass dieser Strom einen Herzstillstand verursachen kann, wenn er durch den Körper und insbesondere den Brustkorb fließt, selbst bei sehr niedrigen Werten im Sub-Milliampere-Bereich. Unter „normalen“ Betriebsbedingungen ist dieser Strom Null oder nahezu Null, aber die Norm geht davon aus, dass ein Fehler auftreten kann und dadurch ein Stromfluss durch den Körper induziert wird.

Wie wirkt sich dies auf die Wahl zwischen den beiden Möglichkeiten aus, den Bedarf an mehreren AC/DC-Versorgungsschienen zu decken? Selbst wenn die zweite Option attraktiv erscheint - und das kann sie in einigen Fällen sein -, bringt sie eine subtile, aber wichtige technische Überlegung aufgrund von regulatorischen Vorgaben mit sich. Die regulatorische Norm misst den Ableitstrom für das gesamte Endprodukt, nicht für die einzelnen Bestandteile der Versorgung. Daher kann der Ableitstrom eines einzelnen Netzteils mit mehreren Ausgängen zwar unter dem zulässigen Höchstwert liegen (Abbildung 2), aber die Summe der Ableitströme mehrerer Netzteile mit einem Ausgang kann diesen Grenzwert überschreiten, selbst wenn jedes einzelne Netzteil mit einem Ausgang darunter liegt (Abbildung 3).

Abbildung 2: Die gebräuchlichste Art, mehrere DC-Ausgänge bereitzustellen, ist die Verwendung einer einzelnen AC/DC-Versorgung mit mehreren Ausgängen mit voreingestellten Ausgangsspannungswerten und einem festgelegten maximalen Ableitstrom. (Bildquelle: MEAN WELL)

Abbildung 3: Eine Alternative ist die Bereitstellung mehrerer DC-Ausgänge durch Verwendung eines Satzes einzelner AC/DC-Netzteile mit einem Ausgang, aber deren Ableitströme summieren sich und können die zulässigen Grenzwerte überschreiten. (Bildquelle: MEAN WELL)

Zweitens gibt es in vielen medizinischen Systemen eine einzigartige Anforderung für zwei MOPPs anstelle von nur einem MOPP; dies ist eine zusätzliche Anforderung, um eine zusätzliche Versicherung gegen Patientenschäden zu bieten, wenn der eine MOPP versagt. Es gibt auch entsprechende Anforderungen an die Bedienerschutzmittel (MOOP).

Während es verschiedene Möglichkeiten gibt, MOPP im Stromkreis des Produkts außerhalb des Power-Subsystems zu implementieren, wird es üblicherweise innerhalb des Power-Subsystems des Produkts durch die Verwendung eines Trenntransformators erreicht (Transformatoren, die den medizinisch-spezifischen regulatorischen Standards entsprechen, gelten als MOPP). Das Fehlen einer Erdungsrückführung von der Sekundärseite des Transformators bietet zusammen mit anderen Vorschriften einen MOPP, während die Isolierung durch die Primär-/Sekundärseite einen zweiten MOPP darstellt (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der isolierte Transformator und das Primär-Sekundär-Wicklungspaar sorgen für MOPP in AC-betriebenen Versorgungen. (Bildquelle: MEAN WELL)

Außerdem gibt es Normen, die Effizienzanforderungen definieren, die die Herausforderung noch vergrößern. Wie beim Ableitstrom betrachten diese Normen den Gesamtwirkungsgrad des Systems unter definierten Betriebsbedingungen und Leistungsstufen. Selbst wenn einzelne Versorgungen in einem Mehrschienensystem die Normen erfüllen, basiert die behördliche Genehmigung auf der Effizienz des Gesamtsystems, nicht auf den zugrunde liegenden Netzteilen, die einzeln bewertet werden.

Wählen Sie den modularen Ansatz für Stromversorgungen

Bislang gab es zwei Mehrschienenptionen: eine mit einer einzigen AC/DC-Versorgung mit mehreren Festwertausgängen und daher begrenzter Flexibilität; die zweite mit einer Reihe von verschiedenen AC/DC-Versorgungen mit einem Ausgang, die je nach Bedarf gemischt werden können.

Aber es gibt eine weitere Option: MEAN WELL hat eine modulare AC/DC-Architektur entwickelt, die die Flexibilität der Ausgangskonfiguration kombiniert und gleichzeitig alle relevanten regulatorischen Standards, einschließlich der medizinischen, übertrifft. Das System von MEAN WELL besteht aus einem modularen Gehäuse mit addierbaren, vom Benutzer auswählbaren DC-Ausgangsmodulen (Abbildung 5).

Dieses Gehäuse ist in zwei Ausführungen erhältlich: das NMP650-CEKK-03, ein konvektionsgekühltes Vierkanal-Gehäuse (Steckplätze) mit einer Nennleistung von 650 Watt (W), und das NMP1K2, ein luftgekühltes (Lüfter) Sechskanal-Gehäuse mit einer Nennleistung von 1200 W. Beide Gehäuse haben ein schlankes mechanisches Design mit 1 HE, um engen Platzverhältnissen gerecht zu werden (1 HE entspricht 1,75 Zoll/44,45 Millimeter (mm) Rackhöhe).

Abbildung 5: Das System von MEAN WELL besteht aus einem modularen Chassis mit vier oder sechs Kanälen sowie einer Familie von unabhängigen steckbaren DC-Ausgangsmodulen. Das NMP1K2 wird ohne Abdeckung (oben) und mit Abdeckung (unten) gezeigt. (Bildquelle: MEAN WELL)

Dieses Gehäuse enthält den primären AC-Netztransformator und die Schaltung zur Leistungsumwandlung/-regelung (Abbildung 6). Beim NMP1K2 wird die Lüfterdrehzahl durch die interne Temperaturerkennungsfunktion automatisch angepasst, um das Gehäuse unter den thermischen Grenzwerten zu halten und gleichzeitig den Energieverbrauch und die Geräuschentwicklung zu minimieren. Die NMP-Serie erfüllt die medizinische Sicherheitszertifizierung nach IEC 60601-1 (Primär-Sekundär: 2 × MOPP; Primär-Erde: 1 × MOPP) sowie die Vorschrift für die Informationstechnologie (IT) IEC 62368-1. Die Serie erfüllt auch die relevanten EMV-Anforderungen (elektromagnetische Verträglichkeit), einschließlich der Anforderungen der EN61000 (aber nicht darauf beschränkt).

Abbildung 6: Das NMP-Chassis stellt den erforderlichen AC-Netztransformator und die ersten Stufen der Leistungsumwandlungs- und Steuerschaltung bereit. (Bildquelle: MEAN WELL)

Die Kanäle (Steckplätze) der beiden Chassis werden mit DC-Ausgangsmodulen mit den gewünschten Ausgangswerten bestückt, wie z. B. dem NMS-240-5, einer Einheit für 5 Volt (nominal) und 36 Ampere (A) (Abbildung 7 und Abbildung 8). Andere Modelle der Modulfamilie mit einem Ausgang bieten Ausgänge für 12 Volt/20 A, 24 Volt/10 A und 48 Volt/5 A.

Abbildung 7: Das Modul NMS-240-5 für die Chassis NMP650 und NMP1K2 liefert 5 Volt (nominal) bei bis zu 36 A. (Bildquelle: MEAN WELL)

Abbildung 8: Das 5V/36A-Modul NMS-240-5 wird in einen Steckplatz des NMP650- oder NMP1K2-Chassis eingeschoben. (Bildquelle: MEAN WELL)

Für Anwendungen, die zwei DC-Ausgänge von einem einzigen Einschubmodul benötigen, bietet MEAN WELL das NMD-240 an, ein zweikanaliges Ausgangsmodul für 3 bis 30 V und 5 A (Abbildung 9).

Abbildung 9: Das NMD-240 ist ein Modul für einen Steckplatz mit zwei Ausgängen, das auf beiden Kanälen bis zu 30 Volt bei bis zu 5 A liefern kann. (Bildquelle: MEAN WELL)

Zusätzliche Merkmale erhöhen die Vielseitigkeit

Die Leistung eines Netzteils wird durch seine Spezifikationen für Parameter mit höchster Priorität charakterisiert, wie z. B. Genauigkeit der Ausgangsspannung, Einschwing- und Überlastverhalten, Temperaturstabilität, Netzregelung, Lastregelung und mehr. Es gibt jedoch auch Merkmale, die die Nützlichkeit der Versorgung sowie das Vertrauen des Benutzers erhöhen können. Für die Chassis NMP650 und NMP1K2 von MEAN WELL und deren Einsteckmodule umfassen diese zusätzlichen Merkmale:

• Schutz: Alle Ausgangsmodule sind mit einem Kurzschluss-, Überlast-, Überspannungs- und Übertemperaturschutz ausgestattet, wobei letzterer durch einen TTL-Pegel-Signalausgang mit einem maximalen Quellstrom von 10 Milliampere (mA) angezeigt wird.
• Hilfsspannungsausgang: Das NMP650-Gehäuse bietet einen 5V/1,5A-Ausgang, während das NMP1K2 einen 5V/10mA-Ausgang bietet, der für Unterstützungsfunktionen nützlich ist, bei denen ein vollwertiges Modul zu groß wäre.
• Es gibt zudem eine Funktion, die ein Problem im Zusammenhang mit Netzteilen mit mehreren Ausgängen löst. In manchen Situationen benötigen Anwender eine einzige Ein/Aus-Steuerung für das gesamte Chassis und alle Ausgänge, aber es gibt auch Test- und sogar Betriebssituationen, in denen die Ausgänge einzeln gesteuert werden müssen und jede Ausgangsschiene unabhängig ein- und ausgeschaltet werden muss. Das NMP-Chassis verfügt über eine globale Ein/Aus-Steuerung, während jedes DC-Ausgangsmodul sowohl über ein Fernsignal als auch über einen lokalen Schalter einzeln ein- und ausgeschaltet werden kann.
• Schließlich gibt es noch die Strom- und Spannungsprogrammierbarkeit der Module. Über ein externes 0 bis 1 Volt DC-Signal kann die Ausgangsspannung jedes Moduls auf 50 bis 100 % des Nennwertes und der Ausgangsstrom auf 40 bis 100 % programmiert werden.

Fazit

Bei der Auswahl von AC/DC-Netzteilen mit mehreren Ausgängen müssen Leistung, Funktionen, Eigenschaften, Beschaffung und gesetzliche Normen berücksichtigt werden. Das NMP-Chassis von MEAN WELL mit einer Auswahl an steckbaren Ausgangskarten bietet Entwicklern Flexibilität bei der Ausgangskonfiguration, zusammen mit Fähigkeiten, die einfach und schnell verschiedene Endbenutzeranforderungen erfüllen können.