유연성 및 구성 가능성을 제공하는 모듈식 다중 출력 AC/DC 공급 장치 사용

시스템 설계자와 통합자는 응용 제품에 필요한 전압 레일을 제공하기 위해 정확성, 안정성, 빠른 과도 응답 특성을 갖춘 잘 설계된 라인 작동 AC/DC 전원 공급 장치를 사용합니다. 많은 시스템에서 AC/DC 공급 장치가 여러 개의 독립적인 출력 전압(레일)을 동시에 제공해야 합니다. 또한 이러한 공급 장치는 전자파 장해(EMI), 무선 주파수 장해(RFI), 효율성, 기본적인 사용자 안전을 다루는 여러 규제 표준을 충족해야 합니다. 의료 응용 제품 설계자의 경우 허용 누설 전류 및 다중 환자 보호 수단(MOPP)에 관한 추가 표준도 있습니다.

이러한 응용 제품의 요구를 충족하기 위해 다양한 프리셋 출력 전압 및 전류를 제공하는 다중 출력 공급 장치를 사용할 수 있습니다. 그러나, 이러한 프리셋 다중 출력 AC/DC 공급 장치를 사용하면 필요 사항이 자주 변경되므로 부품 명세서(BOM) 및 재고 관리가 복잡할 수 있습니다. 또한 서로 다른 제품, 특히 소량의 특수 최종 제품에 서로 다른 다중 출력 공급이 필요한 경우 유연성이 제한됩니다. 많은 경우 설계자에게 더 나은 대안은 모듈식 AC/DC 접근 방식을 사용하는 것입니다.

이 글에서는 의료, 산업 및 테스트 응용 제품과 관련하여, 특히 고유한 배치 또는 맞춤형 배치가 필요한 경우 이 접근 방식의 특징과 장점에 대해 살펴봅니다. 그런 다음 MEAN WELL Enterprises Co., Ltd.의 고성능 AC/DC 모듈식 공급 장치를 소개하고 이 장치가 어떻게 사용되는지 설명합니다.

다중 출력 요구 사항을 충족하는 공급 장치 구성

대개 시스템에는 내부 사용 및 외부 부하를 위해 여러 개의 DC 레일이 필요합니다. 예를 들어, 프로세서 중심의 논리 및 디지털 회로망에는 일반적으로 3개 이하의 공급 레일이 필요하며, 부하와 구동기에는 대개 더 높은 전압 또는 다른 정격 전류가 필요합니다.

많은 상황에서 필요한 DC 출력 전압과 최대 정격 전류의 특정 목록은 다음 두 가지 사유로 고정불변하지 않습니다.

• 이러한 레일 전압과 전류 일부는 소형 모터, LED 어레이 또는 의료 스캐닝 시스템과 동일한 유형의 대형 버전을 함께 사용하는 경우와 같이 동일한 기본 설계를 서로 다른 부하에 걸쳐 사용할 때 변경되어야 합니다.
• 제품 또는 제품군의 DC 출력 요구 사항이 고정된 경우에도 회사에는 대개 포트폴리오에 여러 개의 관련 제품이 있으며 제품마다 서로 다른 공급 방식이 필요합니다.

이러한 다양한 요구 사항을 충족하기 위해 설계자는 다음 두 가지 옵션을 가집니다.

• 각 제품 버전에 필요한 출력 레일 전압으로 조달되는 별도의 다중 출력 공급 장치를 사용할 수 있습니다. 이러한 구성 불가능한 공급 장치는 재고 관리 및 공급망 문제를 가중시키고 예측, 주문, 재고 정리 및 리드 타임 측면에서 비효율적입니다.
• 단일 출력 AC/DC 공급 장치(모듈)를 혼용하여 각 제품 버전의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 이는 재고 및 공급망 문제를 어느 정도 단순화하지만 설계 및 조립을 어렵게 할 수도 있습니다. 다양한 공급 장치를 위해 다양한 실장 면적, 부피 등을 고려해야 하기 때문입니다. 결과적으로 각 고유한 구성에 대해 전체 제품 조립을 재배치해야 할 수 있습니다.

비록 이것이 "이론상으로는" 사소한 문제처럼 보이지만(그림 1), 실제 효과는 원치 않는 결과인 "리플 효과"일 수 있습니다.

그림 1: 단일 다중 출력 공급 장치와 다중 단일 출력 공급 장치의 차이는 미미해 보이지만, 공급 체인과 생산 공정에 미치는 실제 영향은 클 수 있습니다. (이미지 출처: Bill Schweber)

의료 응용 제품의 추가 요구 사항

더 나은 옵션은 세부적인 상황뿐 아니라 장단점 및 우선순위와 설계 목표 사이의 균형에 따라 달라집니다. 그러나 AC/DC 공급 장치에 의해 작동하는 기기와 환자와 물리적 접촉을 수반하는 많은 의료 응용 제품에는 추가 제약 조건이 있어 거론한 두 가지 옵션 사이의 선택에 영향을 미칩니다.

2020년 12월, 기존의 IEC 60950-1 및 IEC 60065 표준을 완전히 대체하는 정보 및 컴퓨터 기술을 위한 IEC 62368-1(소비자 가전 제품 포함)과 같이 광범위한 응용 제품에서 사용되는 공급 장치를 관리하는 다른 표준 외에, 주로 IEC 60601-1의 규제 의무 사항이 있습니다.

전원 공급 장치를 선택할 때 설계자는 설계 요구 사항과 규정을 고려해야 합니다. 예를 들어, 보호 접지 컨덕터를 통해 접지로 흐르는 전류인 누설 전류의 문제가 있습니다. 우수한 접지 연결이 없고, 표준은 연결이 실제로 누락될 수 있다고 가정하는 경우, 전도성 부품 또는 비전도성 부품의 표면에서 접지로 흐를 수 있는 전류가 인체와 같은 전도성 경로를 흐른다면 이는 생명에 위협을 줄 수도 있습니다.

의료 응용 제품은 다른 일반 응용 제품보다 허용되는 최대 누설 전류 값이 훨씬 작습니다. 밀리암페어 미만 범위의 매우 낮은 수준이라도 전류가 인체, 특히 가슴에 흐르면 심장 마비를 일으킬 수 있기 때문입니다. "정상" 작동 조건에서 전류는 0이거나 0에 가깝겠지만, 표준에서는 결함이 발생하여 인체에 전류가 흐르도록 유도할 수 있다고 가정합니다.

이것이 여러 AC/DC 공급 장치 레일의 요구 사항에 응하는 두 가지 방법의 선택에 어떤 영향을 미칠까요? 두 번째 옵션은 매력적으로 보일 수 있지만 경우에 따라 규제 의무 사항으로 인해 미묘하지만 중요한 기술적인 고려 사항을 수반합니다. 규제 표준은 개별 구성품 공급 장치가 아닌 전체 최종 제품에 대한 누설 전류를 측정합니다. 따라서 개별 다중 출력 공급 장치의 누설 전류가 최대 허용치 미만일 수 있지만(그림 2) 다중 단일 출력 공급 장치의 누설 전류 합계는 각 단일 출력 공급 장치의 값이 이 최대 허용치보다 낮더라도 최대 허용치를 초과할 수가 있습니다(그림 3).

그림 2: 다중 DC 출력을 제공하는 가장 일반적인 방법은 프리셋 출력 전압 값과 지정된 최대 누설 전류를 가진 단일 다중 출력 AC/DC 공급 장치를 사용하는 것입니다. (이미지 출처: MEAN WELL)

그림 3: 대안으로 하나의 개별 단일 출력 AC/DC 공급 장치를 사용하여 여러 DC 출력을 제공할 수 있지만 누설 전류가 증가하여 허용치를 초과할 수 있습니다. (이미지 출처: MEAN WELL)

둘째, 많은 의료 시스템에서 단일 MOPP가 아닌 두 개의 MOPP에 대한 고유한 요구 사항이 있습니다. 이는 하나의 MOPP에 장애가 발생할 경우 환자의 피해에 대한 추가적인 보호 수단을 제공하기 위한 추가 요구 사항입니다. 조작자 보호 수단(MOOP)에 대한 해당 요구 사항도 있습니다.

전력 서브 시스템 외부의 제품 회로에 MOPP를 구현하는 방법은 다양하지만 일반적으로 분리 변압기(의료 관련 규제 표준을 충족하는 변압기는 MOPP로 간주됨)를 사용하여 제품의 전력 서브 시스템 내에서 구현됩니다. 변압기의 2차 측에서 접지 귀환이 없는 경우 다른 의무 사항과 함께 하나의 MOPP가 제공되고 1차/2차 측에서 제공하는 분리는 두 번째 MOPP입니다(그림 4).

그림 4: 분리 변압기와 1차 2차 권선 쌍은 AC 작동 공급 장치에 MOPP를 제공합니다. (이미지 출처: MEAN WELL)

여기에는 문제를 더욱 어렵게 하는 효율성 요구 사항을 정의하는 표준도 있습니다. 누설 전류와 마찬가지로 이 표준은 정의된 작동 조건 및 전력 레벨에서의 총 시스템 효율에 대해 살펴봅니다. 다중 레일 시스템의 개별 공급 장치가 표준을 충족하더라도 규제 승인은 개별적으로 평가된 기본 공급 장치가 아니라 총 시스템의 효율성을 기반으로 합니다.

전원 공급 장치에 대한 모듈식 접근 방식 채택

지금까지 두 가지 다중 레일 옵션이 있었습니다. 첫 번째 옵션은 프리셋, 고정 출력이 있는 단일 다중 출력 AC/DC 공급 장치를 사용하므로 유연성이 제한적이었고 두 번째 옵션은 고유한 단일 출력 AC/DC 공급 장치 세트를 사용하여 필요에 따라 혼용했습니다.

그러나 또 다른 옵션이 있습니다. MEAN WELL은 의료를 포함한 모든 관련 규제 표준을 충족하는 동시에 출력 구성의 유연성을 결합하는 모듈식 AC/DC 아키텍처를 개발했습니다. MEAN WELL 시스템은 사용자가 선택할 수 있는 추가 DC 출력 모듈이 있는 모듈식 섀시로 구성됩니다(그림 5).

이 섀시는 다음 두 가지로 제공됩니다. 650W 등급의 4채널(슬롯) 대류 냉각 섀시인 NMP650-CEKK-03 및 1200W 등급의 6채널 강제 공랭식(팬) 섀시인 NMP1K2. 두 섀시 모두 좁은 공간의 제약에 맞도록 1U 슬림 기계 설계로 되어 있습니다(1U는 1.75인치/44.45mm, 랙 높이와 동일).

그림 5: MEAN WELL 시스템은 4개 또는 6개의 채널이 있는 모듈식 섀시와 독립 플러그인 DC 출력 모듈 제품군으로 구성됩니다. NMP1K2는 덮개가 벗겨진 상태(위쪽)와 그대로 있는 상태(아래쪽)로 표시됩니다. (이미지 출처: MEAN WELL)

이 섀시에는 1차 AC 라인 분리 변압기와 프런트 엔드 전력 변환/정격 회로망이 포함되어 있습니다(그림 6). NMP1K2는 내부 온도 감지 기능을 통해 팬 속도가 자동으로 조정되어 섀시를 열 제한 아래로 유지하면서 에너지 소비와 잡음을 최소화합니다. NMP 계열은 IEC 60601-1(1차 2차: 2 x MOPP, 1차 접지: 1 x MOPP) 및 정보 기술(IT) 산업 규정 IEC 62368-1에 따른 의료 안전 인증을 충족합니다. 또한 이 계열은 EN61000(이에 국한되지 않음)에 따라 규정된 내용을 비롯하여 관련 전자파 적합성(EMC) 방출 및 내성 의무 사항을 충족합니다.

그림 6: NMP 섀시는 필수 AC 라인 변압기와 전력 변환 및 제어 회로망의 첫 단계를 제공합니다. (이미지 출처: MEAN WELL)

두 섀시의 채널(슬롯)은 NMS-240-5, 5V(공칭)/36A 장치 등 원하는 출력 정격의 DC 출력 모듈로 채워집니다(그림 7 및 그림 8). 단일 출력 모듈 제품군의 다른 모델은 12V/20A, 24V/10A 및 48V/5A 출력을 제공합니다.

그림 7: NMP650 및 NMP1K2 섀시용 NMS-240-5 모듈은 최대 36A에서 5V(공칭)를 제공합니다(이미지 출처: MEAN WELL).

그림 8: 5V/36A NMS-240-5 모듈은 NMP650 및 NMP1K2 섀시의 슬롯에 삽입됩니다. (이미지 출처: MEAN WELL)

단일 슬라이드인 모듈에서 이중 DC 출력이 필요한 응용 제품을 위해 MEAN WELL은 NMD-240, 30V/5A ~ 30V/5A, 이중 출력 모듈을 제공합니다(그림 9).

그림 9: NMD-240은 두 채널에서 최대 5A에서 최대 30V를 전달할 수 있는 단일 슬롯, 이중 출력 모듈입니다. (이미지 출처: MEAN WELL)

추가 기능으로 다양성 향상

전원 공급 장치의 성능은 출력 전압 정확도, 과도 및 과부하 응답, 온도 안정성, 라인 조절, 부하 조절 등과 같은 최우선 파라미터에 대한 사양으로 정해집니다. 그러나 공급의 유용성과 사용자의 신뢰를 높일 수 있는 기능도 있습니다. MEAN WELL NMP650 및 NMP1K2 섀시와 해당 플러그인 모듈의 추가 기능은 다음과 같습니다.

• 보호: 단락, 과부하, 과전압 및 과열 보호 기능이 모든 출력 모듈에 내장되어 있으며 후자는 최대 소싱 전류가 10mA인 TTL 레벨 신호 출력으로 표시됩니다.
• 보조 전력 출력: NMP650 섀시는 5V/1.5A 출력을 제공하고 NMP1K2는 5V/10mA를 제공하므로 최대 크기 모듈이 과도할 수 있는 지원 기능에 유용합니다.
• 또한 다중 출력 공급 장치와 관련된 문제를 해결하는 기능도 있습니다. 어떤 상황에서 사용자는 전체 섀시 및 모든 출력에 대해 단일 on/off 제어가 필요하지만 출력을 개별적으로 제어하여 각 출력 레일을 독립적으로 on/off 해야 하는 테스트 및 작동 상황도 있습니다. NMP 섀시는 전역 on/off 제어 기능을 갖추고 있으며, 각 DC 출력 모듈은 원격 신호와 로컬 스위치로 개별적으로 켜고 끌 수 있습니다.
• 마지막으로 모듈의 전류와 전압 프로그래밍이 가능합니다. 외부 0V DC ~ 1V DC 신호를 사용하여 각 모듈의 출력 전압을 공칭 값의 50% ~ 100%로 프로그래밍할 수 있으며 출력 전류는 40% ~ 100%로 프로그래밍할 수 있습니다.

결론

다중 출력 AC/DC 전원 공급 장치를 선택하려면 성능, 기능, 특징, 조달 및 규제 표준을 고려해야 합니다. 플러그인 출력 카드를 선택할 수 있는 MEAN WELL NMP 섀시는 설계자에게 다양한 최종 사용자 요구 사항을 쉽고 빠르게 충족할 수 있는 기능과 함께 출력 구성의 유연성을 제공합니다.