系統(tǒng)設(shè)計者和集成商依靠設(shè)計精良的線控 AC/DC 電源為應(yīng)用提供必要的電壓軌，且這些店員具備精度、穩(wěn)定性和快速瞬態(tài)響應(yīng)等要素。許多系統(tǒng)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(jiān)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(yī)療應(yīng)用的設(shè)計者來說，還需滿足關(guān)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(yīng)用需求，多輸出電源能提供一系列預(yù)設(shè)的輸出電壓和電流。然而，由于需求經(jīng)常變化，擁有這些預(yù)設(shè)的多輸出 AC/DC 電源會使物料清單 (BOM) 和庫存管理復(fù)雜化。如果不同的產(chǎn)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(chǎn)品。對設(shè)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(yī)療、工業(yè)和測試應(yīng)用中的特點、優(yōu)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。
滿足多輸出要求的電源配置
一個系統(tǒng)需要多個直流電軌供內(nèi)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(shù)字電路通常需要低電壓、個位數(shù)電源軌，而負載及其驅(qū)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：
為了滿足這些不同的需求，設(shè)計者有兩種選擇：
設(shè)計者可以使用獨立的多輸出電源，并在采購時考慮產(chǎn)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(yīng)鏈問題，并在預(yù)測、訂購、庫存和交貨時間方面造成相應(yīng)的低效率。
設(shè)計者可以混合使用單輸出 AC/DC 電源（模塊），以滿足每個產(chǎn)品版本的需求。這在一定程度上會簡化庫存和供應(yīng)鏈問題，但也可能增加設(shè)計導(dǎo)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(jié)果是，對于每個獨特的配置，可能需要重新安排完整的產(chǎn)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(yīng)"結(jié)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(yīng)鏈和生產(chǎn)過程的實際影響可能會很大。（圖片來源：Bill Schweber）
醫(yī)療應(yīng)用增加了額外要求
更好的選擇取決于具體情況，以及權(quán)衡、優(yōu)先考慮與設(shè)計目標之間的平衡。然而，對于許多醫(yī)療應(yīng)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(yīng)的監(jiān)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(yīng)用中使用的用品，如 IEC 62368-1 用于信息和計算機技術(shù)（包括消費產(chǎn)品），該標準于 2020 年 12 月完全取代了現(xiàn)有的 IEC 60950-1 和 IEC 60065 標準。
選擇電源時，設(shè)計者需要同時考慮設(shè)計要求和監(jiān)管法規(guī)。例如漏電流問題，漏電流是指通過保護接地導(dǎo)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(dǎo)電路徑，則從任何導(dǎo)電部分或非導(dǎo)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(yī)療應(yīng)用來說，最大允許漏電流要比其他一般應(yīng)用要小得多。因為這種電流如果流經(jīng)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(huán)境下為零或接近零，但在標準中會假定可能發(fā)生故障，從而會導(dǎo)致電流流經(jīng)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(jiān)管規(guī)定，這里還存在著一個微妙而重要的技術(shù)問題需要考慮。監(jiān)管標準衡量的是整個終端產(chǎn)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(yù)設(shè)輸出電壓和規(guī)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(yī)療系統(tǒng)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(yīng)的要求。
雖然在產(chǎn)品電源子系統(tǒng)以外的電路中實現(xiàn) MOPP 的方法有很多種，但常見的是在產(chǎn)品電源子系統(tǒng)內(nèi)通過隔離變壓器來實現(xiàn)（符合醫(yī)療專用監(jiān)管標準的變壓器被認為是 MOPP）。變壓器二次側(cè)無接地回路加上其他規(guī)定提供了一個 MOPP，而一次側(cè)/二次側(cè)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(guī)定效率要求的相關(guān)標準也會給設(shè)計者帶來挑戰(zhàn)。與漏電流一樣，這些標準關(guān)注的是在規(guī)定工作條件和功率水平下的系統(tǒng)總效率。即使多軌系統(tǒng)中的單個電源符合效率標準，監(jiān)管部門也是基于系統(tǒng)總效率進行審批的，而不是單獨評估單個電源。
采取模塊化供電方式
迄今為止有兩種多電源軌方案可選：一種是使用具有預(yù)設(shè)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(jù)需要進行組合。
但還有另外選擇：MEAN WELL 已經(jīng)開發(fā)出一種結(jié)合了輸出配置靈活性的模塊化 AC/DC 架構(gòu)，同時超過了所有相關(guān)的監(jiān)管標準，包括醫(yī)療標準。MEAN WELL 系統(tǒng)由一個模塊化機箱組成，機箱內(nèi)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(fēng)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(shè)計，以適應(yīng)狹小的空間（1U 等于 1.75 in/44.45 mm 機架高度）。
圖 5：MEAN WELL 系統(tǒng)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(zhuǎn)換/穩(wěn)壓電路（圖 6）。對于 NMP1K2 來說，通過其內(nèi)部溫度檢測功能自動調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，使機箱發(fā)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(yī)療安全認證要求（一次側(cè)對二次側(cè)：2 個 MOPP；一次側(cè)對地：1 個 MOPP），以及信息技術(shù) (IT) 行業(yè)法規(guī)范 IEC 62368-1。該系列還符合相關(guān)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(guī)定。
圖 6：NMP 機箱提供了必要的 AC 線路變壓器以及電源轉(zhuǎn)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(yīng)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）
附加功能增強了多功能性
一個電源的性能是由其主要參數(shù)規(guī)格實現(xiàn)特征化的，如輸出電壓精度、瞬態(tài)和過載響應(yīng)、溫度穩(wěn)定性、電源調(diào)整率、負載調(diào)節(jié)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(chǎn)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(nèi)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(xiàn)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(guān)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(tǒng)一的“開/關(guān)”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(guān)”每個輸出軌。NMP 機箱具有全局“開/關(guān)”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(guān)單獨“開/關(guān)”。
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%。
結(jié)語
多輸出 AC/DC 電源的選擇涉及性能、功能、特點、采購和法規(guī)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(shè)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。
