使用模块化多输出 AC／DC 电源实现灵活性和可配置性

作者：Bill Schweber

系统设计者和集成商依靠设计精良的线控 AC/DC 电源为应用提供必要的电压轨，且这些店员具备精度、稳定性和快速瞬态响应等要素。许多系统要求 AC/DC 电源同时提供多个独立的输出电压（轨）。这些电源还必须满足多种监管标准，包括电磁干扰 (EMI)、射频干扰 (RFI)、效率和基本用户安全。对于医疗应用的设计者来说，还需满足关于允许泄漏电流和多重患者保护措施 (MOPP) 的附加标准。

为了满足这些应用需求，多输出电源能提供一系列预设的输出电压和电流。然而，由于需求经常变化，拥有这些预设的多输出 AC/DC 电源会使物料清单 (BOM) 和库存管理复杂化。如果不同的产品需要不同的多输出电源，就会限降低灵活性，尤其会影响小批量的特种最终产品。对设计人员来说，在很多情况下模块化 AC/DC 方法是一种更好的选择。

本文将探讨这种方法在医疗、工业和测试应用中的特点、优势，特别是在需要布局独特或定制的地方。然后，本文将介绍 MEAN WELL Enterprises Co., Ltd. 的高性能 AC/DC 模块化电源及其使用。

满足多输出要求的电源配置

一个系统需要多个直流电轨供内部及其外部负载使用，这样做再正常不过了。例如，以处理器为中心的逻辑和数字电路通常需要低电压、个位数电源轨，而负载及其驱动器通常需要更高的电压或不同的额定电流。

在很多情况下，所需的 DC 输出电压及其最大额定电流的具体值并不是固定不变的，原因有二：

· 当相同的基本设计用于不同的负载时，如小型电机、LED 阵列或医疗扫描系统与同类型的大型设备，其中一些电源轨的电压和电流需要改变。
· 即使产品或产品系列有固定的直流输出要求，公司的产品组合中往往有多个相关产品，每个产品都需要不同的电源安排。

为了满足这些不同的需求，设计者有两种选择：

· 设计者可以使用独立的多输出电源，并在采购时考虑产品的每个版本所需的电源轨输出电压。使用这种不可配置电源会增加库存管理和供应链问题，并在预测、订购、库存和交货时间方面造成相应的低效率。

· 设计者可以混合使用单输出 AC/DC 电源（模块），以满足每个产品版本的需求。这在一定程度上会简化库存和供应链问题，但也可能增加设计导入和装配难度。因为各种电源可能也有不同的占用面积、体积和安装考虑。结果是，对于每个独特的配置，可能需要重新安排完整的产品组件。

虽然这在“纸面上”看起来是一个小问题（图 1），但实际效果可能是一个意想不到"连锁反应"结果。

图 1：一个多输出电源与多个单输出电源在使用时的差异看起来不大，但对供应链和生产过程的实际影响可能会很大。（图片来源：Bill Schweber）

医疗应用增加了额外要求

更好的选择取决于具体情况，以及权衡、优先考虑与设计目标之间的平衡。然而，对于许多医疗应用来说，涉及到与病人身体接触和需要 AC/DC 电源供电的仪器时会有更多限制，并会影响到在所述两种方案之间如何选择。

在这方面有相应的监管要求，主要是 IEC 60601-1 标准；此外，还有其他标准用来约束更广泛应用中使用的用品，如 IEC 62368-1 用于信息和计算机技术（包括消费产品），该标准于 2020 年 12 月完全取代了现有的 IEC 60950-1 和 IEC 60065 标准。

选择电源时，设计者需要同时考虑设计要求和监管法规。例如漏电流问题，漏电流是指通过保护接地导体流向大地的电流。在没有良好的接地并且在标准中假定这种连接可能会缺失的情况下，如果存在诸如人体等导电路径，则从任何导电部分或非导电部分的表面流向大地的电流才有可能造成生命危险。

对于医疗应用来说，最大允许漏电流要比其他一般应用要小得多。因为这种电流如果流经人体特别是胸部时，即使是小于毫安级的极低电流也会引起心脏骤停。该电流在“正常”工作环境下为零或接近零，但在标准中会假定可能发生故障，从而会导致电流流经人体。

有两种方法能够满足多个 AC/DC 电源轨需求，但上述情况会如何影响这两种方法的选择呢？虽然在某些情况下，第二种选择看起来很有吸引力，但由于监管规定，这里还存在着一个微妙而重要的技术问题需要考虑。监管标准衡量的是整个终端产品的漏电流，而不是单个组成部件。因此，虽然一个多输出电源的漏电流可能低于最大允许值（图 2），但多个单输出电源的漏电流之和可能会超过该限值，即使每个单输出电源的漏电流都低于该限值（图 3）。

图 2：提供多 DC 输出的最常见方法是使用一个具有预设输出电压和规定最大泄漏电流的多输出 AC/DC 电源。（图片来源：MEAN WELL）


图 3：另一种选择是通过使用多个单输出 AC/DC 电源来提供多个 DC 输出，但这样会增大泄漏电流，可能会超过允许的限值。（图片来源：MEAN WELL）

其次，在很多医疗系统中都有一个独特的要求，即必须有两个 MOPP 而不是单个 MOPP；这是一个额外要求，目的是在一个 MOPP 失效的情况下为防止病人受伤害而提供的又一重保障。对操作人员保护措施 (MOOP) 也有相应的要求。

虽然在产品电源子系统以外的电路中实现 MOPP 的方法有很多种，但常见的是在产品电源子系统内通过隔离变压器来实现（符合医疗专用监管标准的变压器被认为是 MOPP）。变压器二次侧无接地回路加上其他规定提供了一个 MOPP，而一次侧/二次侧形成的隔离则是第二个 MOPP（图 4）。

图 4：隔离变压器及一次和二次绕组对在 AC 操作电源中提供 MOPP。（图片来源：MEAN WELL）

此外，规定效率要求的相关标准也会给设计者带来挑战。与漏电流一样，这些标准关注的是在规定工作条件和功率水平下的系统总效率。即使多轨系统中的单个电源符合效率标准，监管部门也是基于系统总效率进行审批的，而不是单独评估单个电源。

采取模块化供电方式

迄今为止有两种多电源轨方案可选：一种是使用具有预设固定输出的多输出 AC/DC 电源，但灵活性有限；第二种是使用一组不同的单输出 AC/DC 电源，可根据需要进行组合。

但还有另外选择：MEAN WELL 已经开发出一种结合了输出配置灵活性的模块化 AC/DC 架构，同时超过了所有相关的监管标准，包括医疗标准。MEAN WELL 系统由一个模块化机箱组成，机箱内包括可添加的、用户可选择的 DC 输出模块（图 5）。

这款机箱提供两种容量选择：NMP650-CEKK-03 是一款四通道（槽式）对流冷却机箱，额定功率为 650 W；NMP1K2 是一款六通道强制（风扇）冷却机箱，额定功率为 1200 W。这两款机箱均采用 1U 超薄机械设计，以适应狭小的空间（1U 等于 1.75 in/44.45 mm 机架高度）。

图 5：MEAN WELL 系统由一个带有 4 个或 6 个通道的模块化机箱以及一系列独立的插入式 DC 输出模块组成。如图所示，NMP1K2 的外盖被取下（上图）和未取下（下图）。（图片来源：MEAN WELL）

这款机箱包含一次 AC 线路隔离变压器和前端电源转换/稳压电路（图 6）。对于 NMP1K2 来说，通过其内部温度检测功能自动调节风扇转速，使机箱发热始终在最高限值以下，同时最大限度地降低能耗和声噪。NMP 系列符合 IEC 60601-1 标准的医疗安全认证要求（一次侧对二次侧：2 个 MOPP；一次侧对地：1 个 MOPP），以及信息技术 (IT) 行业法规范 IEC 62368-1。该系列还符合相关的电磁兼容性 (EMC) 排放和抗扰度要求，包括那些（但不限于）EN61000 标准的规定。

图 6：NMP 机箱提供了必要的 AC 线路变压器以及电源转换的第一级和控制电路。（图片来源：MEAN WELL）

任何一个机箱的通道（插槽）都安装了具有所需输出额定值的 DC 输出模块，如 NMS-240-5，这是一款 5 V（标称）/36 A 的装置（图 7 和图 8）。单输出模块系列中的其他型号提供 12 V/20 A、24 V/10 A 和 48 V/5 A 输出。

图 7：适合 NMP650 和 NMP1K2 机箱的 NMS-240-5 模块在高达 36 A 的情况下提供 5 V 电压（标称值）。


图 8：5 V/36 A NMS-240-5 模块可滑入 NMP650 和 NMP1K2 机箱的插槽中。（图片来源：MEAN WELL）

对于需要从一个滑入式模块获得双 DC 输出的应用，MEAN WELL 推出 NMD-240，这是一款 3 V 至 30 V/5 A 双输出模块（图 9）。

图 9：NMD-240 是一款单槽双输出模块，其两个通道均可在高达 5 A 的电流下提供高达 30 V 的电压。（图片来源：MEAN WELL）

附加功能增强了多功能性

一个电源的性能是由其主要参数规格实现特征化的，如输出电压精度、瞬态和过载响应、温度稳定性、电源调整率、负载调节等。不过，也有一些功能可以增加电源的实用性，以提高用户对产品的信心。对于 MEAN WELL NMP650 和 NMP1K2 机箱及其插件模块，这些额外功能包括：

· 保护功能：短路、过载、过压和过热保护都已内置在所有输出模块中，后者通过 TTL 级信号输出显示，最大源电流为 10 mA。

· 辅助电源输出：NMP650 机箱提供 5 V/1.5 A 输出，而 NMP1K2 则提供 5 V/10 A 输出，适用于那些使用全尺寸模块时会出现过能过剩但又需要支持多功能的情形。

· 还有一个功能就是解决与多输出电源的相关问题。在某些情况下，用户需要对整个机箱和所有的输出进行统一的“开/关”控制，但也有一些测试甚至是操作情况需要对输出进行单独控制，从而能独立“开/关”每个输出轨。NMP 机箱具有全局“开/关”控制功能，同时每个直流输出模块也可以通过远程信号以及本地开关单独“开/关”。

· 最后，就是模块的电流和电压可编程性。使用外部 0 - 1 V DC 信号，每个模块的输出电压可在其标称值的 50% - 100% 的范围进行编程，输出电流编程范围为 40% - 100%。

结语

多输出 AC/DC 电源的选择涉及性能、功能、特点、采购和法规标准等方面的考虑。MEAN WELL NMP 机箱提供了多种插入式输出卡选择，不仅为设计者提供了灵活的输出配置，也能方便快速地满足不同最终用户的需求。