Utilice fuentes modulares de CA/CC con múltiples salidas para mayor flexibilidad y capacidad de configuración

Los diseñadores e integradores de sistemas confían en que las fuentes de alimentación CA/CC bien diseñadas y operadas por línea proporcionen los raíles de tensión necesarios para las aplicaciones, y que lo hagan con precisión, estabilidad y rápida respuesta transitoria, entre otros factores de rendimiento. Muchos sistemas requieren que la fuente CA/CC proporcione simultáneamente varias tensiones de salida independientes (rails). Estos suministros también deben cumplir múltiples normas reglamentarias que cubren las interferencias electromagnéticas (EMI), las interferencias de radiofrecuencia (RFI), la eficiencia y la seguridad básica del usuario. Para los diseñadores de aplicaciones médicas, también existen normas adicionales relativas a la corriente de fuga permitida y a los medios múltiples de protección del paciente (MOPP).

Para satisfacer las necesidades de estas aplicaciones, existen fuentes de alimentación de varias salidas que ofrecen una gama de tensiones y corrientes de salida preestablecidas. Sin embargo, disponer de estos suministros CA/CC preestablecidos y con múltiples salidas puede complicar la lista de materiales (BOM) y la gestión del inventario, ya que las necesidades cambian a menudo. También limitan la flexibilidad si se necesitan diferentes suministros de salida múltiple para diferentes productos, especialmente para productos finales especializados de bajo volumen. Una alternativa mejor para los diseñadores en muchos casos es utilizar un enfoque modular CA/CC.

En este artículo se analizan las características y ventajas de este enfoque para aplicaciones médicas, industriales y de pruebas, especialmente cuando se necesitan arreglos únicos o personalizados. A continuación, presentará los suministros modulares CA/CC de alto rendimiento de MEAN WELL Enterprises Co. y mostrar cómo se utilizan.

Configuraciones de suministro para necesidades de varias salidas

Es normal que un sistema necesite varios raíles de CC para su uso interno, así como para su carga externa. Por ejemplo, la lógica centrada en el procesador y los circuitos digitales suelen requerir raíles de alimentación bajos y de un solo dígito, mientras que la carga y su controlador suelen exigir tensiones más altas o valores de corriente diferentes.

En muchas situaciones, el listado específico de las tensiones de salida de CC necesarias y sus valores máximos de corriente no son fijos e invariables, por dos razones:

• Algunas de estas tensiones y corrientes de carril tendrán que cambiar cuando el mismo diseño básico se utilice con diferentes cargas, como un pequeño motor, un conjunto de LEDs o un sistema de exploración médica frente a versiones más grandes del mismo tipo.
• Aunque el producto o la familia de productos tenga unos requisitos de salida de CC fijos, las empresas suelen tener varios productos relacionados en su cartera, y cada uno de ellos necesita una disposición de suministro diferente.

Para satisfacer estas diversas necesidades, los diseñadores tienen dos opciones:

• Pueden utilizar fuentes multisalida independientes que se adquieren con las tensiones de carril de salida necesarias para cada versión del producto. El uso de estos suministros no configurables agrava los problemas de gestión de inventarios y de la cadena de suministro, y conlleva ineficiencias en la previsión, los pedidos, el almacenamiento y los plazos de entrega.
• Pueden utilizar una mezcla de fuentes de alimentación CA/CC de salida única (módulos) para satisfacer las necesidades de cada versión del producto. Esto simplifica hasta cierto punto los problemas de inventario y de la cadena de suministro, pero también puede aumentar los problemas de diseño y montaje. La razón es que los distintos suministros también pueden tener distintas huellas, volúmenes y consideraciones de montaje. El resultado es que puede ser necesaria una reorganización del conjunto del producto para cada configuración única.

Aunque "sobre el papel" parece una cuestión menor (Figura 1), el efecto práctico puede ser un "efecto dominó" de consecuencias no deseadas.

Figura 1: La diferencia entre utilizar un único suministro de múltiples salidas frente a varios suministros de una sola salida parece modesta, pero las implicaciones prácticas para la cadena de suministro y el proceso de producción pueden ser grandes. (Fuente de la imagen: Bill Schweber)

Las aplicaciones médicas añaden requisitos adicionales

La mejor opción depende de las particularidades de la situación, así como del equilibrio entre las compensaciones y las prioridades frente a los objetivos del diseño. Sin embargo, existen limitaciones añadidas para las numerosas aplicaciones médicas que implican el contacto físico con un paciente y un instrumento que funciona con una alimentación de CA/CC, lo que afecta a la elección entre las dos opciones citadas.

Existen mandatos normativos, principalmente la norma IEC 60601-1, además de otras normas que regulan los suministros utilizados en aplicaciones más amplias, como la norma IEC 62368-1 para las tecnologías de la información y la informática (incluidos los productos de consumo), que sustituyó por completo las normas IEC 60950-1 e IEC 60065 existentes en diciembre de 2020.

A la hora de seleccionar la fuente de alimentación, los diseñadores deben tener en cuenta los requisitos de diseño y la normativa. Por ejemplo, existe el problema de la corriente de fuga, que es la corriente que fluye a través del conductor de protección a tierra. En ausencia de una buena conexión a tierra -y la norma asume que la conexión puede efectivamente faltar- es la corriente que podría fluir desde cualquier parte conductora o la superficie de las partes no conductoras a tierra si se dispusiera de una vía conductora, como un cuerpo humano, lo que constituye un posible peligro para la vida.

Para las aplicaciones médicas, la corriente de fuga máxima permitida es mucho menor que para otras aplicaciones generales. La razón es que esta corriente puede provocar un paro cardíaco si fluye por el cuerpo y especialmente por el pecho, incluso a niveles muy bajos en el rango de los submiliamperios. En circunstancias de funcionamiento "normal", esta corriente será nula o casi nula, pero la norma supone que puede producirse un fallo y, por tanto, inducir un flujo de corriente a través del cuerpo.

¿Cómo influye esto en la elección entre las dos formas de responder a la necesidad de múltiples carriles de alimentación CA/CC? Incluso si la segunda opción parece atractiva -y puede serlo en algunos casos- conlleva una sutil pero importante consideración técnica debido a los mandatos normativos. La norma reglamentaria mide la corriente de fuga de todo el producto final, no de los suministros individuales. Por lo tanto, mientras que una fuente individual de varias salidas puede tener una corriente de fuga por debajo del máximo permitido (Figura 2), la suma de las corrientes de fuga de varias fuentes de una sola salida puede superar ese límite, aunque cada una de ellas esté por debajo (Figura 3).

Figura 2: La forma más habitual de proporcionar varias salidas de CC es utilizar una única fuente de CA/CC de varias salidas con valores de tensión de salida preestablecidos y una corriente de fuga máxima especificada. (Fuente de la imagen: MEAN WELL)

Figura 3: Una alternativa es proporcionar múltiples salidas de CC utilizando un conjunto de fuentes de CA/CC de una sola salida, pero sus corrientes de fuga se sumarán y pueden superar los límites permitidos. (Fuente de la imagen: MEAN WELL)

En segundo lugar, en muchos sistemas médicos existe un requisito único de dos MOPP en lugar de un único MOPP; se trata de un requisito adicional para proporcionar un seguro adicional contra el daño al paciente si el único MOPP falla. También hay requisitos correspondientes para los medios de protección del operador (MOOP).

Aunque hay varias formas de implementar la MOPP en el circuito del producto fuera del subsistema de alimentación, lo normal es que se consiga dentro del subsistema de alimentación del producto mediante el uso de un transformador de aislamiento (los transformadores que cumplen las normas reglamentarias específicas para el sector médico se consideran una MOPP). La ausencia de un retorno a tierra desde el lado secundario del transformador, junto con otros mandatos, proporciona un MOPP, mientras que el aislamiento proporcionado por el primario/secundario es un segundo MOPP (Figura 4).

Figura 4: El transformador aislado y el par de devanados primario-secundario proporcionan MOPP en las fuentes de alimentación de CA. (Fuente de la imagen: MEAN WELL)

También hay normas que definen los requisitos de eficiencia que se suman al desafío. Al igual que en el caso de la corriente de fuga, estas normas tienen en cuenta la eficiencia total del sistema en condiciones de funcionamiento y niveles de potencia definidos. Incluso si los suministros individuales de un sistema ferroviario múltiple cumplen las normas, la aprobación reglamentaria se basa en la eficiencia del sistema agregado, no en los suministros subyacentes evaluados individualmente.

Adopte el enfoque modular de las fuentes de alimentación

Hasta ahora ha habido dos opciones de raíles múltiples: una que utiliza una única fuente de CA/CC con salidas fijas preestablecidas y, por lo tanto, con una flexibilidad limitada; la segunda, que utiliza un conjunto de fuentes de CA/CC de salida única distintas, que se pueden mezclar según sea necesario.

Pero hay otra opción: MEAN WELL ha desarrollado una arquitectura modular de CA/CC que combina la flexibilidad de la configuración de la salida al tiempo que supera todas las normas reglamentarias pertinentes, incluidas las médicas. El sistema MEAN WELL consta de un chasis modular con módulos de salida de corriente continua complementarios y seleccionables por el usuario (Figura 5).

Este chasis está disponible en dos capacidades: el NMP650-CEKK-03, un chasis de cuatro canales (ranuras) refrigerado por convección con una potencia de 650 vatios (W), y el NMP1K2, un chasis de seis canales refrigerado por aire forzado (ventilador) con una potencia de 1200 W. Ambos chasis tienen un diseño mecánico delgado de 1U para adaptarse a las limitaciones de espacio (1U equivale a 1.75 pulgadas/44.45 milímetros (mm) de altura del rack).

Figura 5: El sistema MEAN WELL consta de un chasis modular con cuatro o seis canales, además de una familia de módulos de salida de CC enchufables independientes. El NMP1K2 se muestra con la tapa quitada (arriba) y colocada (abajo). (Fuente de la imagen: MEAN WELL)

Este chasis contiene el transformador primario de aislamiento de la línea de CA y los circuitos de conversión/regulación de potencia del extremo delantero (Figura 6). En el caso del NMP1K2, la velocidad del ventilador se ajusta automáticamente a través de su función de detección de temperatura interna para mantener el chasis por debajo de los límites térmicos, al tiempo que se minimiza el uso de energía y el ruido acústico. La serie NMP cumple con la certificación de seguridad médica según la norma IEC 60601-1 (Primario-Secundario: 2 × MOPP; Primario-Terreno: 1 × MOPP), así como con la normativa del sector de las tecnologías de la información (TI) IEC 62368-1. La serie también cumple con los mandatos de emisión e inmunidad de compatibilidad electromagnética (EMC) pertinentes, incluidos los especificados por la norma EN61000 (pero sin limitarse a ella).

Figura 6: El chasis del NMP proporciona el transformador de línea de CA necesario y las primeras etapas de conversión de energía y circuitos de control. (Fuente de la imagen: MEAN WELL)

Los canales (ranuras) de cualquiera de los dos chasis se llenan con módulos de salida de CC con las capacidades de salida deseadas, como el NMS-240-5, una unidad de 5 voltios (nominal)/36 amperios (A) (Figura 7 y Figura 8). Otros modelos de la familia de módulos de salida única ofrecen salidas de 12 voltios/20 A, 24 voltios/10 A y 48 voltios/5 A.

Figura 7: El módulo NMS-240-5 para los chasis NMP650 y NMP1K2 suministra 5 voltios (nominales) con hasta 36 A. (Fuente de la imagen: MEAN WELL)

Figura 8: El módulo NMS-240-5 de 5 voltios/36 A se desliza en una ranura del chasis NMP650 y NMP1K2. (Fuente de la imagen: MEAN WELL)

Para las aplicaciones que requieren dos salidas de CC desde un único módulo deslizante, MEAN WELL ofrece el NMD-240, un módulo de salida doble de 3 a 30 voltios/5 A (Figura 9).

Figura 9: El NMD-240 es un módulo de doble salida de una sola ranura que puede suministrar hasta 30 voltios con un máximo de 5 A en ambos canales. (Fuente de la imagen: MEAN WELL)

Las características adicionales mejoran la versatilidad

El rendimiento de una fuente de alimentación se caracteriza por sus especificaciones para los parámetros más prioritarios, como la precisión de la tensión de salida, la respuesta a los transitorios y a las sobrecargas, la estabilidad de la temperatura, la regulación de la línea, la regulación de la carga, etc. Sin embargo, también hay características que pueden aumentar la utilidad del suministro, así como la confianza del usuario. Para los chasis MEAN WELL NMP650 y NMP1K2 y sus módulos enchufables, estas características adicionales incluyen:

• Protección: Todos los módulos de salida incorporan protección contra cortocircuitos, sobrecargas, sobretensiones y sobretemperaturas, esta última indicada por una salida de señal de nivel TTL con una corriente de origen máxima de 10 miliamperios (mA).
• Salida de alimentación auxiliar: el chasis NMP650 proporciona una salida de 5 voltios/1.5 A, mientras que el NMP1K2 proporciona 5 voltios/10 mA, útil para funciones de apoyo en las que un módulo de tamaño completo sería excesivo.
• También hay una función que resuelve un problema relacionado con los suministros de varias salidas. En algunas situaciones, los usuarios necesitan un único control de encendido/apagado para todo el chasis y todas las salidas, pero también hay situaciones de prueba e incluso operativas con la necesidad de controlar las salidas individualmente, y por lo tanto encender/apagar independientemente cada carril de salida. El chasis NMP cuenta con un control global de encendido/apagado, mientras que cada módulo de salida de CC puede encenderse/apagarse individualmente mediante una señal remota, así como mediante un interruptor local.
• Por último, existe la posibilidad de programar la corriente y el voltaje de los módulos. Mediante una señal externa de 0 a 1 voltios de corriente continua, se puede programar la tensión de salida de cada módulo entre el 50 y el 100% de su valor nominal, y su corriente de salida entre el 40 y el 100%.

Conclusión:

La elección de las fuentes de alimentación CA/CC de varias salidas implica consideraciones sobre el rendimiento, las funciones, las características, la adquisición y las normas reglamentarias. El chasis MEAN WELL NMP con una selección de tarjetas de salida enchufables ofrece a los diseñadores flexibilidad en la configuración de la salida, junto con capacidades que pueden satisfacer fácil y rápidamente los diversos requisitos del usuario final.