השימוש בספקי-כוח AC/DC‏ רבי-יציאות לטובת גמישות ויכולת הגדרת-תצורה

מתכנני מערכות ואינטגרטורים מסתמכים על ספקי כוח AC/DC מוזני-רשת-החשמל ומתוכננים היטב כדי לספק את פסי המתח הדרושים ליישומים וכדי לעשות זאת עם דיוק, יציבות והיענות מהירה לטרנזיינטים, בין גורמי ביצועים אחרים. מערכות רבות דורשות שהספקת-הכוח AC/DC‏ תספק בו-זמנית מספר מתחי יציאה בלתי-תלויים (פסי מתח). ספקי-כוח אלו חייבים גם לעמוד בתקנים רגולטוריים רבים המכסים הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), הפרעות תדרי רדיו (RFI), נצילות ובטיחות משתמש בסיסית. עבור מתכנני יישומים רפואיים, ישנם גם תקנים נוספים ביחס לזרמי הזליגה המותרים ולמספר אמצעי הגנת מטופלים (MOPP‏).

כדי לעמוד בצרכים של יישומים אלה, קיימים ספקי-כוח רבי-יציאות המציעים מגוון של מתחים וזרמים מוגדרים-מראש. עם זאת, ספקי-כוח AC/DC‏ רבי-יציאות מוגדרים-מראש אלו יכולים לסבך את מפרט החומרים (BOM) וניהול המלאי ככל שהצרכים משתנים לעתים קרובות. הם גם מגבילים את הגמישות אם יש צורך בספקי-כוח רבי-יציאות שונים עבור מוצרים שונים, במיוחד עבור מוצרים סופיים מיוחדים בכמויות קטנות. חלופה טובה יותר עבור המתכננים במקרים רבים היא להשתמש בגישת AC/DC‏ מודולרית.

מאמר זה יבחן את המאפיינים והיתרונות של גישה זו עבור יישומים רפואיים, תעשייתיים ובדיקות, במיוחד כאשר יש צורך בסידורים ייחודיים או מותאמים-במיוחד. לאחר מכן הוא יציג ספקי-כוח AC/DC‏ מודולריים עם ביצועים עיליים מבית .MEAN WELL Enterprises Co., Ltd‏. ויראה כיצד להשתמש בהם.

תצורות הספקת-כוח עבור דרישות של יציאות רבות

זה לגמרי נורמלי שמערכת תדרוש מספר פסי DC לשימוש פנימי, כמו גם עבור העומס החיצוני שלה. לדוגמא, לוגיקה ממוקדת-מעבד ומעגלים דיגיטליים דורשים בדרך כלל פסי הספקת-כוח במתח חד-ספרתי, בעוד שהעומס והדוחף שלו דורשים לרוב מתח גבוה יותר או דירוג זרם שונה.

במצבים רבים, הרישום הספציפי של מתחי יציאה DC ודירוג הזרם המקסימלי שלהם אינו קבוע ולא-משתנה, משתי סיבות:

• כמה ממתחי וזרמי פס אלו יצטרכו להשתנות כאשר אותו תכן בסיסי משמש על פני עומסים שונים, כגון מנוע קטן, מערך LED או מערכת סריקה רפואית לעומת גרסאות גדולות יותר מאותו סוג.
• גם אם למוצר או למשפחת מוצרים יש דרישות קבועות של יציאת DC, לעיתים קרובות חברות כוללות מספר מוצרים קשורים בסל המוצרים שלהם, כאשר כל אחד מהם זקוק לסידור הספקת-כוח שונה.

כדי לענות על צרכים מגוונים אלה, יש למתכננים שתי אפשרויות:

• הם יכולים להשתמש בספקי-כוח רבי-יציאות נפרדים הנרכשים עם מתחי פסי היציאה הנדרשים עבור כל גרסה של מוצר. השימוש בספק-כוח כזה שאינו ניתן להגדרת-תצורה מוסיף לניהול מלאי ולבעיות שרשרת האספקה, וגורר אי-יעילות הקשורה לחיזוי, הזמנה, מלאי וזמני אספקה.
• הם יכולים להשתמש בתמהיל של ספקי AC/DC (מודולים) עם יציאה יחידה כדי לעמוד בצרכים של כל גרסת מוצר. זה מפשט את נושאי המלאי ושרשרת האספקה במידה מסוימת, אך עשוי גם להוסיף לאתגרי התכנון וההרכבה. הסיבה היא שלספקי-הכוח השונים עשויים להיות חתימות-שטח, נפחים ושיקולי הרכבה שונים. התוצאה היא שייתכן שיהיה צורך בסידור-מחדש של מכלל המוצרים השלם עבור כל תצורה ייחודית.

למרות שזה נראה כמו נושא מינורי "על הנייר" (איור 1), ההשפעה המעשית עשויה להיות "אפקט אדווה" לא-רצוי של השלכות.

איור 1: ההבדל בין שימוש בספק-כוח אחד רב-יציאות לעומת מספר ספקי-כוח עם יציאה יחידה לא נראה כה גדול, אך ההשלכות המעשיות על שרשרת האספקה ועל תהליך הייצור עשויות להיות גדולות. (מקור התמונה: Bill Schweber)

יישומים רפואיים מוסיפים דרישות נוספות

האפשרות הטובה יותר תלויה בפרטי המצב, כמו גם באיזון בין הפשרות וסדרי העדיפויות לעומת יעדי התכן. עם זאת, יש אילוצים נוספים עבור היישומים הרפואיים הרבים הכרוכים במגע פיזי עם מטופל ומכשיר הפועל מספק-כוח AC/DC‏, המשפיעים על הבחירה בין שתי האפשרויות שצוינו.

ישנן מחויבויות רגולטוריות, בעיקר IEC 60601-1, בנוסף לתקנים האחרים המסדירים ספקי-כוח המשמשים ביישומים רחבים יותר, כגון IEC 62368-1 עבור טכנולוגיית מידע ומחשבים (ICT‏) (כולל מוצרים לצרכנים), שהחליפו לגמרי את תקני IEC 60950-1 ו- IEC 60065 הקיימים בדצמבר 2020.

בבחירת ספק-הכוח, על המתכננים לבחון את דרישות התכן כמו גם את התקנות. לדוגמא, יש את הנושא של זרם הזליגה, שהוא הזרם שזורם דרך מוליך ההארקה המגן לאדמה. בהיעדר חיבור הארקה טוב - והתקן מניח שאכן החיבור נעדר - זה הזרם היכול לזרום מכל חלק מוליך או מהמשטח של חלקים לא-מוליכים להארקה אם היה מסלול מוליך, כגון גוף האדם, המהווה סכנת חיים אפשרית.

עבור יישומים רפואיים, זרם הזליגה המקסימלי המותר הוא הרבה פחות מאשר עבור יישומים כלליים אחרים. הסיבה היא שזרם זה יכול לגרום לדום לב אם הוא זורם בגוף ובמיוחד בחזה, אפילו ברמות נמוכות ביותר בתחום של תת-מילי-אמפר. בנסיבות פעולה "רגילות", זרם זה יהיה אפס או קרוב לכך, אך התקן מניח שתקלה עלולה להתרחש ובכך לגרום לזרימת זרם דרך הגוף.

איך זה משפיע על הבחירה בין שתי הדרכים לענות על הצורך במספר פסי הספקת-כוח AC/DC‏? גם אם האפשרות השנייה נראית אטרקטיבית - והיא עשויה להיות במקרים מסוימים - היא מביאה שיקול טכני עדין אך חשוב עקב המחויבויות הרגולטוריות. התקן הרגולטורי מודד זרם זליגה עבור המוצר הסופי כולו, ולא עבור ספקי-הכוח הנפרדים המרכיבים אותו. לכן, בעוד שלספק-כוח רב-יציאות אחד יכול להיות זרם זליגה שהוא מתחת למקסימום המותר (איור 2), סך כל זרמי הזליגה של מספר ספקי-כוח עם יציאה יחידה עלול לחרוג מגבול זה, גם אם זרם הזליגה של כל יציאה בנפרד הוא מתחת לגבול זה (איור 3).

איור 2: הדרך הנפוצה ביותר לספק מספר יציאות DC היא באמצעות ספק-כוח AC/DC רב-יציאות אחד עם ערכי מתח יציאה מוגדרים-מראש וזרם זליגה מקסימלי מוגדר. (מקור התמונה: MEAN WELL)

איור 3‏: חלופה אחת היא לספק מספר יציאות DC‏ באמצעות מערך של ספקי-כוח AC/DC‏ נפרדים, כל אחד עם יציאה יחידה, אך זרמי הזליגה שלהם יסתכמו ועלולים לחרוג מהגבולות המותרים. (מקור התמונה: MEAN WELL)

שנית, קיימת דרישה ייחודית במערכות רפואיות רבות עבור שני MOPP במקום MOPP אחד; זוהי דרישה נוספת לספק ביטוח נוסף מפני נזק לחולה אם MOPP אחד נכשל. ישנן גם דרישות תואמות עבור אמצעי הגנת מפעיל (MOPP‏).

קיימות אמנם דרכים שונות למימוש MOPP במעגל המוצר מחוץ לתת-מערכת הספקת-הכוח, אך בדרך כלל הוא מושג בתוך תת-מערכת הספקת-הכוח של המוצר באמצעות שנאי בידוד (שנאים העומדים בתקנים רגולטוריים ספציפיים לרפואה נחשבים ל- MOPP‏). היעדר חזרה להארקה מהצד השניוני של השנאי, ביחד עם מחויבויות אחרות, מספק MOPP אחד, ואילו הבידוד שמספק הראשוני/שניוני הוא MOPP שני (איור 4).

איור 4‏: שנאי מבודד וזוג ליפופים ראשוני/שניוני מספקים MOPP‏ בספקי-כוח מוזני-AC‏. (מקור התמונה: MEAN WELL)

קיימים גם תקנים המגדירים דרישות נצילות המוסיפות לאתגר. בדומה לזרם הזליגה, תקנים אלה בוחנים את נצילות המערכת הכוללת בתנאי פעולה ורמות הספק מוגדרים. גם אם ספקי-כוח נפרדים במערכת רבת-פסים עומדת בתקנים, האישור הרגולטורי מבוסס על נצילות המערכת המצרפית, ולא על ספקי-הכוח שבבסיסה שהוערכו בנפרד.

בחינת הגישה המודולרית לספקי-כוח

עד כה היו שתי אפשרויות רבות-פסים: אחת המשתמשת בספק-כוח AC/DC‏ רב-יציאות אחד עם יציאות קבועות ולכן גמישות מוגבלת; והשנייה שימוש במספר ספקי-כוח AC/DC‏ נפרדים, כל אחד עם יציאה יחידה, אותם מחברים בעירוב לפי הצורך.

אבל יש אפשרות אחרת: חברת MEAN WELL פיתחה ארכיטקטורת AC/DC מודולרית המשלבת את הגמישות של הגדרת תצורת היציאה תוך חריגה מכל התקנים הרגולטוריים הרלוונטיים, כולל הרפואיים. המערכת מבית MEAN WELL מורכבת משלדה מודולרית עם מודולי יציאת DC הניתנים לבחירה על ידי המשתמש (איור 5).

שלדה זו זמינה בשתי יכולות: ה- NMP650-CEKK-03, מארז עם ארבעה ערוצים (חריצים) מקורר בקונבקציה בדירוג של 650 וואט (W), וה- NMP1K2, שלדה עם שישה ערוצים מקוררת אוויר מאולץ (מאוורר) עד 1200 וואט. שתי השלדות הן בתכן מכני צר של 1U כדי להתאים לאילוצי מקומות צפופים (1U שווה לגובה של 1.75 אינץ' / 44.45 מילימטרים (מ"מ)).

איור 5‏: המערכת מבית MEAN WELL מורכבת משלדה מודולרית עם ארבעה או שישה ערוצים, ובנוסף משפחה של מודולי יציאת DC נתקעים בלתי-תלויים. ה- NMP1K2 מוצג ללא הכיסוי שלו (למעלה) ועם הכיסוי שלו (למטה). (מקור התמונה: MEAN WELL)

שלדה זו מכילה שנאי בידוד-קו AC ראשוני ומעגלי המרת הספק/ייצוב קצה-קדמי (איור 6). עבור ה- NMP1K2, מהירות המאוורר מכווננת אוטומטית באמצעות פונקציית גילוי הטמפרטורה הפנימית כדי לשמור על השלדה מתחת לגבולות התרמיים, תוך הפחתה למינימום של צריכת האנרגיה והרעש האקוסטי. סדרת NMP עומדת בהרשאת בטיחות רפואית לפי IEC 60601-1 (ראשוני-שניוני: MOPP‏ ×‏ 2‏; ראשוני-הארקה: MOPP‏ ×‏ 1‏), כמו גם תקנת תעשיית טכנולוגיות מידע (IT‏) IEC 62368-1‏. הסדרה עומדת גם במחויבויות הרלוונטיות לפליטות וחסינות של תאימות אלקטרומגנטית (EMC), כולל אלו המפורטות ב- EN61000 (אך ללא הגבלה).

איור 6‏: שלדת NMP מספקת את שנאי-קו AC‏ הנדרש ואת הדרגות הראשונות של המרת הספק ומעגלי הבקרה. (מקור התמונה: MEAN WELL)

הערוצים (חריצים) של כל שלדה מאוכלסים במודולי יציאת DC עם דירוגי היציאה הרצויים, כגון NMS-240-5, יחידת 5 וולט (נומינלי) / 36 אמפר (A) (איור 7 ואיור 8). דגמים אחרים במשפחת היציאה-היחידה של המודולים מספקים יציאות של A‏ 20‏/V‏ 12‏, A‏ 10‏/V‏ 24‏ ו- A‏ 5‏/V‏ 48‏.

איור 7: מודול NMS-240-5 עבור שלדות NMP650 ו- NMP1K2 מספק 5 וולט (נומינלי) עד A‏ 36. (מקור התמונה: MEAN WELL)

איור 8‏: מודול NMS-240-5‏ A‏ 36‏ / V‏ 5‏ מחליק לתוך חריץ בשלדות NMP650 ו- NMP1K2‏. (מקור התמונה: MEAN WELL)

עבור יישומים הדורשים יציאות DC כפולות ממודול יחיד, חברת MEAN WELL מציעה את ה- NMD-240, מודול יציאה כפול של 3 עד 30 וולט / A‏ 5‏ (איור 9).

איור 9: ה- NMD-240 הוא מודול יציאה כפולה עם חריץ יחיד היכול לספק עד 30 וולט עם עד A‏ 5‏ על שני הערוצים. (מקור התמונה: MEAN WELL)

מאפיינים נוספים משפרים את הוורסאטיליות

הביצועים של ספק-כוח מאופיינים במפרטים שלו עבור פרמטרים שבעדיפות גבוהה כמו דיוק מתח היציאה, היענות לטרנזיינטים ולעומס-יתר, יציבות בטמפרטורה, ייצוב הקו, ייצוב העומס ועוד. עם זאת, ישנם גם מאפיינים היכולים להוסיף לשימושיות ספק-הכוח כמו גם לביטחון המשתמשים. עבור שלדות NMP650 ו- NMP1K2 מבית MEAN WELL והמודולים הנתקעים שלהם, מאפיינים נוספים אלו כוללים:

• הגנות: קצר, עומס-יתר, מתח-יתר, טמפרטורת-יתר מובנות בכל מודולי היציאה, כאשר האחרונים מצוינים על ידי יציאת אות ברמת-TTL עם זרם מקור מקסימלי של 10 מיליאמפר (mA).
• יציאת הספקת-כוח עזר: שלדת NMP650 מספקת יציאת A‏ 1.5‏ / V‏ 5‏, בעוד שה- NMP1K2 מספקת mA‏ 10‏ / V‏ 5‏ שהיא שימושית עבור פונקציות תמיכה בהן מודול בגודל-מלא יהיה גדול מדי.
• קיים גם מאפיין המתמודד עם נושא הקשור לספקי-כוח רבי-יציאות. במצבים מסוימים המשתמשים זקוקים לבקרת הפעלה/כיבוי יחידה עבור השלדה כולה וכל היציאות, אך ישנם גם מצבי בדיקה ואפילו פעולה שבהם יש צורך לבקר את היציאות בנפרד, ולהפעיל/לכבות כל פס יציאה באופן בלתי-תלוי. לשלדת NMP יש בקרת הפעלה/כיבוי גלובלית, אך ניתן להפעיל/לכבות כל מודול בנפרד על ידי אות מרחוק, כמו גם על ידי מתג מקומי.
• לבסוף, קיימת יכולת-תכנות של המתח והזרם של המודול. באמצעות אות חיצוני DC של 0 עד 1 וולט, ניתן לתכנת את מתח היציאה של כל מודול בין 50 עד 100% מערכו הנומינלי, ואת זרם היציאה שלו ניתן לתכנת בין 40 עד 100%.

סיכום

הבחירה בספקי-כוח AC/DC‏ רבי-יציאות מערבת שיקולים של ביצועים, פונקציות, מאפיינים, רכש ותקני רגולציה. שלדת NMP מבית MEAN WELL עם מבחר של כרטיסי יציאה נתקעים מציעה למתכננים גמישות בתצורת היציאה, ביחד עם יכולות העשויות לספק בקלות ובמהירות דרישות מגוונות למשתמש הסופי.