Utiliser des alimentations CA/CC modulaires à plusieurs sorties pour une flexibilité et une configurabilité supérieures

Les concepteurs et les intégrateurs de systèmes s'appuient sur des alimentations CA/CC bien conçues et fonctionnant sur secteur pour fournir les rails de tension nécessaires aux applications, et ce avec précision, stabilité et réponse transitoire rapide, entre autres facteurs de performances. De nombreux systèmes exigent que l'alimentation CA/CC fournisse simultanément plusieurs tensions (rails) de sortie indépendantes. Ces alimentations doivent également répondre à de multiples normes réglementaires couvrant les interférences électromagnétiques (EMI), les interférences radiofréquences (RFI), le rendement et la sécurité de base des utilisateurs. Pour les concepteurs d'applications médicales, il existe également des normes supplémentaires concernant le courant de fuite autorisé et les multiples moyens de protection des patients (MOPP).

Pour répondre aux besoins de ces applications, des alimentations à plusieurs sorties sont disponibles et offrent une gamme de courants et de tensions de sortie prédéfinis. Cependant, ces alimentations CA/CC à plusieurs sorties prédéfinies peuvent compliquer la nomenclature (BOM) et la gestion des stocks, car les besoins changent souvent. Elles limitent également la flexibilité si différentes alimentations à plusieurs sorties sont nécessaires pour différents produits, en particulier pour les produits finis spécialisés à faible volume. Dans de nombreux cas, une meilleure alternative pour les concepteurs consiste à utiliser une approche CA/CC modulaire.

Cet article étudie les fonctionnalités et les avantages de cette approche pour les applications médicales, industrielles et de test, en particulier lorsque des configurations uniques ou personnalisées sont requises. Il présente ensuite des alimentations CA/CC modulaires hautes performances de MEAN WELL Enterprises Co., Ltd. et montre comment elles sont utilisées.

Configurations d'alimentation pour exigences de sorties multiples

Il est normal qu'un système nécessite plusieurs rails CC pour son utilisation interne, ainsi que pour sa charge externe. Par exemple, les circuits numériques et logiques centrés sur le processeur requièrent généralement des rails d'alimentation bas à un chiffre, tandis que la charge et son circuit d'attaque exigent souvent des tensions plus élevées ou des courants nominaux différents.

Dans de nombreuses situations, la liste spécifique des tensions de sortie CC nécessaires et de leur courant nominal maximum n'est pas fixe et immuable, pour deux raisons :

• Certains de ces courants et tensions de rail devront changer lorsqu'une même conception de base est utilisée pour différentes charges, comme un petit moteur, une matrice de LED ou un système de balayage médical par rapport à des versions plus grandes du même type.
• Même si le produit ou la gamme de produits a des exigences de sorties CC fixes, les entreprises ont souvent plusieurs produits connexes dans leur portefeuille de produits, et chacun d'entre eux nécessite une configuration d'alimentation différente.

Pour répondre à ces divers besoins, les concepteurs ont deux options :

• Ils peuvent utiliser des alimentations à plusieurs sorties distinctes qui sont fournies avec les tensions de rail de sortie requises pour chaque version du produit. L'utilisation de telles alimentations non configurables accentue les problèmes de gestion des stocks et de chaîne d'approvisionnement, et entraîne des inefficacités en matière de prévision, de commande, de stockage et de délais.
• Ils peuvent utiliser un mélange d'alimentations CA/CC à sortie unique (modules) pour répondre aux besoins de chaque version de produit. Cela simplifie les problèmes de stock et d'approvisionnement dans une certaine mesure, mais peut également créer des défis supplémentaires en matière d'intégration et d'assemblage. En effet, les différentes alimentations peuvent présenter des empreintes, des volumes et des considérations de montage différents. En conséquence, une reconfiguration de l'assemblage complet du produit peut être nécessaire pour chaque configuration unique.

Même si cela semble être un problème mineur « sur papier » (Figure 1), dans la pratique, il peut y avoir des répercussions indésirables de conséquences.

Figure 1 : La différence entre l'utilisation d'une seule alimentation à plusieurs sorties et l'utilisation de plusieurs alimentations à sortie unique semble modeste, mais les implications pratiques pour la chaîne d'approvisionnement et le processus de production peuvent être considérables. (Source de l'image : Bill Schweber)

Les applications médicales posent des exigences supplémentaires

La meilleure option dépend des spécificités de la situation, ainsi que de l'équilibre entre les compromis et les priorités par rapport aux objectifs de conception. Cependant, il existe des contraintes supplémentaires pour les nombreuses applications médicales impliquant un contact physique avec un patient et un instrument fonctionnant avec une alimentation CA/CC, ce qui influence le choix entre les deux options mentionnées.

Il existe des mandats réglementaires, principalement la norme CEI 60601-1, en plus des autres normes qui régissent les alimentations utilisées dans des applications plus étendues, notamment la norme CEI 62368-1 pour les technologies de l'information et de l'informatique (y compris les produits grand public), qui a complètement remplacé les normes CEI 60950-1 et CEI 60065 existantes en décembre 2020.

Lors de la sélection d'une alimentation, les concepteurs doivent tenir compte des exigences de conception ainsi que des réglementations. Par exemple, il y a la question du courant de fuite, qui est le courant qui circule à travers le conducteur de protection vers la terre. En l'absence d'une bonne connexion de mise à la terre — et la norme suppose que la connexion peut effectivement être manquante — c'est le courant qui pourrait circuler de toute pièce conductrice ou de la surface de pièces non conductrices à la terre si un chemin conducteur était disponible, comme le corps humain, constituant un danger potentiel de mort.

Pour les applications médicales, le courant de fuite maximum autorisé est beaucoup plus faible que pour les autres applications générales. La raison est que ce courant peut provoquer un arrêt cardiaque s'il traverse le corps et en particulier la poitrine, même à des niveaux très faibles en dessous du milliampère. En fonctionnement « normal », ce courant est nul ou quasi nul, mais la norme suppose qu'un défaut peut se produire et donc induire un flux de courant dans le corps.

Comment cela affecte-t-il le choix entre les deux options pour répondre au besoin de plusieurs rails d'alimentation CA/CC ? Même si la deuxième option semble intéressante — et elle peut l'être dans certains cas — elle apporte des considérations techniques subtiles mais importantes en raison des mandats réglementaires. La norme réglementaire mesure le courant de fuite pour l'ensemble du produit final, et non pour les différents composants. Par conséquent, alors qu'une alimentation individuelle à plusieurs sorties peut avoir un courant de fuite inférieur au maximum autorisé (Figure 2), la somme des courants de fuite de plusieurs alimentations à sortie unique peut dépasser cette limite, même si chaque alimentation à sortie unique est en dessous de cette limite (Figure 3).

Figure 2 : Le moyen le plus courant de fournir plusieurs sorties CC est d'utiliser une seule alimentation CA/CC à plusieurs sorties avec des valeurs de tension de sortie prédéfinies et un courant de fuite maximum spécifié. (Source de l'image : MEAN WELL)

Figure 3 : Une autre solution consiste à fournir plusieurs sorties CC en utilisant un ensemble d'alimentations CA/CC à sortie unique individuelles, mais leurs courants de fuite s'additionnent et peuvent dépasser les limites autorisées. (Source de l'image : MEAN WELL)

De plus, de nombreux systèmes médicaux exigent deux moyens MOPP au lieu d'un seul ; il s'agit d'une exigence additionnelle visant à fournir une assurance supplémentaire contre les dommages causés au patient en cas d'échec d'un moyen MOPP. Il existe également des exigences correspondantes pour les moyens de protection de l'opérateur (MOOP).

Bien qu'il existe plusieurs façons d'implémenter un moyen MOPP dans le circuit du produit en dehors du sous-système d'alimentation, il est généralement réalisé dans le sous-système d'alimentation du produit en utilisant un transformateur d'isolement (les transformateurs qui répondent aux normes réglementaires spécifiques au domaine médical sont considérés comme un moyen MOPP). L'absence d'un retour par la terre du côté secondaire du transformateur fournit un moyen MOPP, tandis que l'isolement fourni par le primaire/secondaire est un deuxième moyen MOPP (Figure 4).

Figure 4 : Le transformateur isolé et la paire d'enroulements primaire-secondaire fournissent les moyens MOPP dans les alimentations à fonctionnement CA. (Source de l'image : MEAN WELL)

Il existe également des normes définissant les exigences de rendement, ce qui augmente les difficultés. Comme pour le courant de fuite, ces normes étudient le rendement total du système dans des conditions de fonctionnement et des niveaux de puissance définis. Même si les alimentations individuelles dans un système à plusieurs rails répondent aux normes, l'approbation réglementaire est basée sur le rendement du système global, et non sur les alimentations sous-jacentes évaluées individuellement.

Adopter l'approche modulaire pour les alimentations

Jusqu'à présent, il existait deux options multi-rails : l'une utilisant une seule alimentation CA/CC à plusieurs sorties avec des sorties fixes prédéfinies et donc une flexibilité limitée ; la seconde utilisant un ensemble d'alimentations CA/CC distinctes à sortie unique, à combiner selon les besoins.

Mais il y a une autre option : MEAN WELL a développé une architecture CA/CC modulaire qui offre la flexibilité de configuration des sorties tout en dépassant toutes les normes réglementaires pertinentes, y compris médicales. Le système de MEAN WELL se compose d'un châssis modulaire avec des modules de sortie CC additionnels sélectionnables par l'utilisateur (Figure 5).

Ce châssis est disponible en deux capacités : le NMP650-CEKK-03, un châssis à quatre canaux (emplacements), à refroidissement par convection, répertorié à 650 watts (W), et le NMP1K2, un châssis à six canaux, à refroidissement à air forcé (ventilateur), répertorié à 1200 W. Les deux châssis présentent une conception mécanique 1U mince pour s'adapter aux espaces restreints (1U équivaut à une hauteur de rack de 1,75 pouce/44,45 millimètres (mm)).

Figure 5 : Le système de MEAN WELL se compose d'un châssis modulaire à quatre ou six canaux, et d'une gamme de modules de sortie CC enfichables indépendants. Le NMP1K2 est illustré sans son couvercle (en haut) et avec le couvercle en place (en bas). (Source de l'image : MEAN WELL)

Ce châssis contient le transformateur d'isolement de ligne CA primaire et les circuits de conversion/régulation de puissance frontaux (Figure 6). Pour le NMP1K2, la vitesse du ventilateur est automatiquement ajustée grâce à la fonction de détection de température interne afin de maintenir le châssis en dessous des limites thermiques, tout en minimisant la consommation d'énergie et le bruit acoustique. La série NMP est conforme à la certification de sécurité médicale selon la norme CEI 60601-1 (primaire-secondaire : 2 × MOPP ; primaire-terre : 1 × MOPP), ainsi qu'à la réglementation de l'industrie des technologies de l'information (IT) CEI 62368-1. La série répond également aux exigences de compatibilité électromagnétique (CEM) en matière d'émission et d'immunité, y compris (mais sans s'y limiter) celles spécifiées par la norme EN61000.

Figure 6 : Le châssis NMP fournit le transformateur de ligne CA requis et les premiers étages des circuits de contrôle et de conversion de puissance. (Source de l'image : MEAN WELL)

Les canaux (emplacements) des châssis sont équipés de modules de sortie CC avec les valeurs de sortie souhaitées, comme le NMS-240-5, une unité de 5 volts (V) (nominal)/36 ampères (A) (Figure 7 et Figure 8). D'autres modèles de la gamme de modules à sortie unique fournissent des sorties de 12 V/20 A, 24 V/10 A et 48 V/5 A.

Figure 7 : Le module NMS-240-5 pour les châssis NMP650 et NMP1K2 délivre 5 V (nominal) jusqu'à 36 A. (Source de l'image : MEAN WELL)

Figure 8 : Le module 5 V/36 A NMS-240-5 se glisse dans un emplacement des châssis NMP650 et NMP1K2. (Source de l'image : MEAN WELL)

Pour les applications exigeant deux sorties CC à partir d'un seul module enfichable, MEAN WELL propose le NMD-240, un module à sortie double de 3 V à 30 V/5 A (Figure 9).

Figure 9 : Le NMD-240 est un module à emplacement simple et sortie double pouvant délivrer jusqu'à 30 V à 5 A sur les deux canaux. (Source de l'image : MEAN WELL)

Des fonctions supplémentaires améliorent la polyvalence

Les performances d'une alimentation sont caractérisées par ses spécifications pour les paramètres prioritaires tels que la précision de tension de sortie, la réponse aux transitoires et aux surcharges, la stabilité en température, la régulation de ligne, la régulation de charge, et plus. Toutefois, il existe également des fonctionnalités qui peuvent accroître l'utilité de l'alimentation ainsi que la confiance des utilisateurs. Pour les châssis NMP650 et NMP1K2 de MEAN WELL et leurs modules enfichables, ces fonctionnalités supplémentaires incluent :

• Protection : tous les modules de sortie intègrent une protection contre les courts-circuits, la surcharge, la surtension et la surchauffe, cette dernière étant indiquée par une sortie de signal de niveau TTL avec un courant de source maximum de 10 milliampères (mA).
• Sortie d'alimentation auxiliaire : le châssis NMP650 fournit une sortie de 5 V/1,5 A, tandis que le NMP1K2 fournit 5 V/10 mA, ce qui est utile pour les fonctions de support où un module pleine taille serait excessif.
• Une fonctionnalité permettant de résoudre un problème lié aux alimentations à plusieurs sorties est également disponible. Dans certaines situations, les utilisateurs ont besoin d'une seule commande marche/arrêt pour l'ensemble du châssis et toutes les sorties, mais il existe également des situations de test et même des situations opérationnelles où il est nécessaire de commander les sorties individuellement, pour pouvoir activer/désactiver chaque rail de sortie de manière indépendante. Le châssis du NMP comporte une commande marche/arrêt globale, et chaque module de sortie CC peut être mis sous/hors tension individuellement via un signal à distance et un commutateur local.
• Enfin, les modules sont programmables en courant et en tension. En utilisant un signal externe de 0 à 1 VCC, la tension de sortie de chaque module peut être programmée de 50 % à 100 % de la valeur nominale, et le courant de sortie programmé de 40 % à 100 %.

Conclusion

Lors du choix d'une alimentation CA/CC à plusieurs sorties, il faut tenir compte des performances, des fonctions, des caractéristiques, de l'approvisionnement et des normes réglementaires. Le châssis NMP de MEAN WELL, avec un choix de cartes de sortie enfichables, offre aux concepteurs une grande flexibilité de configuration des sorties, ainsi que des capacités permettant de répondre facilement et rapidement aux diverses exigences des utilisateurs finaux.