發布日期：2022-04-17 點擊率：79
系統設計者和集成商依靠設計精良的線控 AC/DC 電源為應用提供必要的電壓軌，且這些店員具備精度、穩定性和快速瞬態響應等要素。許多系統要求 AC/DC 電源同時提供多個獨立的輸出電壓（軌）。這些電源還必須滿足多種監管標準，包括電磁干擾 (EMI)、射頻干擾 (RFI)、效率和基本用戶安全。對于醫療應用的設計者來說，還需滿足關于允許泄漏電流和多重患者保護措施 (MOPP) 的附加標準。
為了滿足這些應用需求，多輸出電源能提供一系列預設的輸出電壓和電流。然而，由于需求經常變化，擁有這些預設的多輸出 AC/DC 電源會使物料清單 (BOM) 和庫存管理復雜化。如果不同的產品需要不同的多輸出電源，就會限降低靈活性，尤其會影響小批量的特種最終產品。對設計人員來說，在很多情況下模塊化 AC/DC 方法是一種更好的選擇。
本文將探討這種方法在醫療、工業和測試應用中的特點、優勢，特別是在需要布局獨特或定制的地方。然后，本文將介紹 MEAN WELL Enterprises Co., Ltd. 的高性能 AC/DC 模塊化電源及其使用。
一個系統需要多個直流電軌供內部及其外部負載使用，這樣做再正常不過了。例如，以處理器為中心的邏輯和數字電路通常需要低電壓、個位數電源軌，而負載及其驅動器通常需要更高的電壓或不同的額定電流。
在很多情況下，所需的 DC 輸出電壓及其最大額定電流的具體值并不是固定不變的，原因有二：
當相同的基本設計用于不同的負載時，如小型電機、LED 陣列或醫療掃描系統與同類型的大型設備，其中一些電源軌的電壓和電流需要改變。
即使產品或產品系列有固定的直流輸出要求，公司的產品組合中往往有多個相關產品，每個產品都需要不同的電源安排。
為了滿足這些不同的需求，設計者有兩種選擇：
設計者可以使用獨立的多輸出電源，并在采購時考慮產品的每個版本所需的電源軌輸出電壓。使用這種不可配置電源會增加庫存管理和供應鏈問題，并在預測、訂購、庫存和交貨時間方面造成相應的低效率。
設計者可以混合使用單輸出 AC/DC 電源（模塊），以滿足每個產品版本的需求。這在一定程度上會簡化庫存和供應鏈問題，但也可能增加設計導入和裝配難度。因為各種電源可能也有不同的占用面積、體積和安裝考慮。結果是，對于每個獨特的配置，可能需要重新安排完整的產品組件。
雖然這在“紙面上”看起來是一個小問題（圖 1），但實際效果可能是一個意想不到"連鎖反應"結果。
圖 1：一個多輸出電源與多個單輸出電源在使用時的差異看起來不大，但對供應鏈和生產過程的實際影響可能會很大。（圖片來源：Bill Schweber）
更好的選擇取決于具體情況，以及權衡、優先考慮與設計目標之間的平衡。然而，對于許多醫療應用來說，涉及到與病人身體接觸和需要 AC/DC 電源供電的儀器時會有更多限制，并會影響到在所述兩種方案之間如何選擇。
在這方面有相應的監管要求，主要是 IEC 60601-1 標準；此外，還有其他標準用來約束更廣泛應用中使用的用品，如 IEC 62368-1 用于信息和計算機技術（包括消費產品），該標準于 2020 年 12 月完全取代了現有的 IEC 60950-1 和 IEC 60065 標準。
選擇電源時，設計者需要同時考慮設計要求和監管法規。例如漏電流問題，漏電流是指通過保護接地導體流向大地的電流。在沒有良好的接地并且在標準中假定這種連接可能會缺失的情況下，如果存在諸如人體等導電路徑，則從任何導電部分或非導電部分的表面流向大地的電流才有可能造成生命危險。
對于醫療應用來說，最大允許漏電流要比其他一般應用要小得多。因為這種電流如果流經人體特別是胸部時，即使是小于毫安級的極低電流也會引起心臟驟停。該電流在“正常”工作環境下為零或接近零，但在標準中會假定可能發生故障，從而會導致電流流經人體。
有兩種方法能夠滿足多個 AC/DC 電源軌需求，但上述情況會如何影響這兩種方法的選擇呢？雖然在某些情況下，第二種選擇看起來很有吸引力，但由于監管規定，這里還存在著一個微妙而重要的技術問題需要考慮。監管標準衡量的是整個終端產品的漏電流，而不是單個組成部件。因此，雖然一個多輸出電源的漏電流可能低于最大允許值（圖 2），但多個單輸出電源的漏電流之和可能會超過該限值，即使每個單輸出電源的漏電流都低于該限值（圖 3）。
圖 2：提供多 DC 輸出的最常見方法是使用一個具有預設輸出電壓和規定最大泄漏電流的多輸出 AC/DC 電源。（圖片來源：MEAN WELL）
圖 3：另一種選擇是通過使用多個單輸出 AC/DC 電源來提供多個 DC 輸出，但這樣會增大泄漏電流，可能會超過允許的限值。（圖片來源：MEAN WELL）
其次，在很多醫療系統中都有一個獨特的要求，即必須有兩個 MOPP 而不是單個 MOPP；這是一個額外要求，目的是在一個 MOPP 失效的情況下為防止病人受傷害而提供的又一重保障。對操作人員保護措施 (MOOP) 也有相應的要求。
雖然在產品電源子系統以外的電路中實現 MOPP 的方法有很多種，但常見的是在產品電源子系統內通過隔離變壓器來實現（符合醫療專用監管標準的變壓器被認為是 MOPP）。變壓器二次側無接地回路加上其他規定提供了一個 MOPP，而一次側/二次側形成的隔離則是第二個 MOPP（圖 4）。
圖 4：隔離變壓器及一次和二次繞組對在 AC 操作電源中提供 MOPP。（圖片來源：MEAN WELL）
此外，規定效率要求的相關標準也會給設計者帶來挑戰。與漏電流一樣，這些標準關注的是在規定工作條件和功率水平下的系統總效率。即使多軌系統中的單個電源符合效率標準，監管部門也是基于系統總效率進行審批的，而不是單獨評估單個電源。
迄今為止有兩種多電源軌方案可選：一種是使用具有預設固定輸出的多輸出 AC/DC 電源，但靈活性有限；第二種是使用一組不同的單輸出 AC/DC 電源，可根據需要進行組合。
但還有另外選擇：MEAN WELL 已經開發出一種結合了輸出配置靈活性的模塊化 AC/DC 架構，同時超過了所有相關的監管標準，包括醫療標準。MEAN WELL 系統由一個模塊化機箱組成，機箱內包括可添加的、用戶可選擇的 DC 輸出模塊（圖 5）。
這款機箱提供兩種容量選擇：NMP650-CEKK-03 是一款四通道（槽式）對流冷卻機箱，額定功率為 650 W；NMP1K2 是一款六通道強制（風扇）冷卻機箱，額定功率為 1200 W。這兩款機箱均采用 1U 超薄機械設計，以適應狹小的空間（1U 等于 1.75 in/44.45 mm 機架高度）。
圖 5：MEAN WELL 系統由一個帶有 4 個或 6 個通道的模塊化機箱以及一系列獨立的插入式 DC 輸出模塊組成。如圖所示，NMP1K2 的外蓋被取下（上圖）和未取下（下圖）。（圖片來源：MEAN WELL）
這款機箱包含一次 AC 線路隔離變壓器和前端電源轉換/穩壓電路（圖 6）。對于 NMP1K2 來說，通過其內部溫度檢測功能自動調節風扇轉速，使機箱發熱始終在最高限值以下，同時最大限度地降低能耗和聲噪。NMP 系列符合 IEC 60601-1 標準的醫療安全認證要求（一次側對二次側：2 個 MOPP；一次側對地：1 個 MOPP），以及信息技術 (IT) 行業法規范 IEC 62368-1。該系列還符合相關的電磁兼容性 (EMC) 排放和抗擾度要求，包括那些（但不限于）EN61000 標準的規定。
圖 6：NMP 機箱提供了必要的 AC 線路變壓器以及電源轉換的第一級和控制電路。（圖片來源：MEAN WELL）
任何一個機箱的通道（插槽）都安裝了具有所需輸出額定值的 DC 輸出模塊，如 NMS-240-5，這是一款 5 V（標稱）/36 A 的裝置（圖 7 和圖 8）。單輸出模塊系列中的其他型號提供 12 V/20 A、24 V/10 A 和 48 V/5 A 輸出。
圖 7：適合 NMP650 和 NMP1K2 機箱的 NMS-240-5 模塊在高達 36 A 的情況下提供 5 V 電壓（標稱值）。
圖 8：5 V/36 A NMS-240-5 模塊可滑入 NMP650 和 NMP1K2 機箱的插槽中。（圖片來源：MEAN WELL）
對于需要從一個滑入式模塊獲得雙 DC 輸出的應用，MEAN WELL 推出 NMD-240，這是一款 3 V 至 30 V/5 A 雙輸出模塊（圖 9）。
圖 9：NMD-240 是一款單槽雙輸出模塊，其兩個通道均可在高達 5 A 的電流下提供高達 30 V 的電壓。（圖片來源：MEAN WELL）
一個電源的性能是由其主要參數規格實現特征化的，如輸出電壓精度、瞬態和過載響應、溫度穩定性、電源調整率、負載調節等。不過，也有一些功能可以增加電源的實用性，以提高用戶對產品的信心。對于 MEAN WELL NMP650 和 NMP1K2 機箱及其插件模塊，這些額外功能包括：
保護功能：短路、過載、過壓和過熱保護都已內置在所有輸出模塊中，后者通過 TTL 級信號輸出顯示，最大源電流為 10 mA。
輔助電源輸出：NMP650 機箱提供 5 V/1.5 A 輸出，而 NMP1K2 則提供 5 V/10 A 輸出，適用于那些使用全尺寸模塊時會出現過能過剩但又需要支持多功能的情形。
還有一個功能就是解決與多輸出電源的相關問題。在某些情況下，用戶需要對整個機箱和所有的輸出進行統一的“開/關”控制，但也有一些測試甚至是操作情況需要對輸出進行單獨控制，從而能獨立“開/關”每個輸出軌。NMP 機箱具有全局“開/關”控制功能，同時每個直流輸出模塊也可以通過遠程信號以及本地開關單獨“開/關”。
最后，就是模塊的電流和電壓可編程性。使用外部 0 - 1 V DC 信號，每個模塊的輸出電壓可在其標稱值的 50% - 100% 的范圍進行編程，輸出電流編程范圍為 40% - 100%。
多輸出 AC/DC 電源的選擇涉及性能、功能、特點、采購和法規標準等方面的考慮。MEAN WELL NMP 機箱提供了多種插入式輸出卡選擇，不僅為設計者提供了靈活的輸出配置，也能方便快速地滿足不同最終用戶的需求。
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