使用模組化多輸出 AC/DC 電源供應器，展現彈性與可配置的優勢

系統設計人員及整合商倚賴設計良好的有線 AC/DC 電源供應器，其具備優異準確度、穩定度與快速暫態響應等效能，可為相關應用提供必要電軌。許多系統都要求 AC/DC 電源供應器必須同時提供幾個獨立輸出電壓 (電軌)，而這些供應器也必須符合電磁干擾 (EMI)、無線電頻率干擾 (RFI)、效率與使用者基本安全等多項法規標準。對於醫療應用設計人員來說，還有其他針對允許漏電流及多種患者保護措施 (MOPP) 的相關標準。

為了符合這些應用的相關需求，已有多輸出供應器上市，可提供各式預設的輸出電壓與電流。然而，有了這些預設值，由於需求經常變動，多輸出 AC/DC 供應器可能會導致物料清單 (BOM) 及庫存管理更趨複雜。此外，如果不同產品需要不同的多輸出電源供應器，將連帶限制彈性，尤其是低量的專用型最終產品。在許多情況下，較適合設計人員的替代方案是使用模組化 AC/DC 方式。

本文將探討此方式在醫療、工業與測試應用中可提供的功能及優勢，特別是需要單獨或客製化配置的應用。接著將介紹 MEAN WELL Enterprises Co., Ltd. 公司的高效能 AC/DC 模組化供應器，並同時展示其使用方式。

多輸出需求的供應器配置

系統經常會要求多個 DC 電軌，以用於系統內部及其外部負載。舉例來說，以處理器為中心的邏輯與數位電路，通常要求個位數的低壓電軌，而負載及其驅動器經常會要求更高的電壓或不同的電流額定值。

在許多狀況下，所需之 DC 輸出電壓及其最大電流額定值的具體清單並不固定，其原因有兩個：

• 在小型馬達、LED 陣列或醫療掃描系統等負載，與同類型的較大型產品相比，若使用同樣的基本設計，則需要改變部分電軌電壓與電流。
• 即使產品或產品系列具有固定 DC 輸出需求，產品組合中通常會有多種相關產品，而各個相關產品都需要不同的供應器配置。

設計人員有兩種方法滿足這些多樣化的需求：

• 可使用不同的多輸出電源供應器，搭配各產品型號所需的輸出電軌電壓。若使用這類不可配置型供應器，會造成庫存管理與供應鏈新的問題，而且在預測、訂購、存貨與前置時間上，還會有效率不彰的問題。
• 可以藉著混用單一輸出 AC/DC 供應器 (模組)，來滿足每一種產品版本的需求。這種方式可以簡化一些庫存與供應鏈問題，但也可能連帶造成導入設計與組裝上的困難。原因是由於不同的供應器可能有不同的覆蓋區、體積與安裝等需考量的因素。導致每個獨特的配置可能需要重新配置整個產品組件。

雖然這看似一個「圖面上」的小問題 (圖 1)，但是實際上可能會造成不樂見的「漣波效應」。

圖 1：使用單個多輸出供應器，與使用多個單輸出供應器的差異看似不大，但是對於供應鏈與產品製程的實際影響可能甚鉅。(圖片來源：Bill Schweber)

醫療應用增加更多要求

何種選項較好，取決於實際狀況，以及針對設計目標的折衷和優先條件。然而，許多醫療應用還有額外的條件限制，這些限制涉及病患的身體與 AC/DC 電源供電設備間的實體接觸，影響上述兩種選項的選擇。

有許多相關法規標準，主要標準是 IEC 60601-1。除此以外，還有其他用來規範更廣泛應用使用的供應器標準，包括適用「資訊與電腦技術」(含消費性產品) 的 IEC 62368-1。此標準在 2020 年 12 月完全取代當時現有的 IEC 60950-1 與 IEC 60065 標準。

選擇電源供應器時，設計人員需要考慮設計需求及相關法規。例如漏電流的問題，係指流通接地保護導線之電流。若缺少良好接地連接，而且相關標準假定確實缺少接地連接，當有導電路徑可用時，電流便可能從任何導電零件或非導電零件的表面流至接地端。若這導電路徑為人體，就可能危及生命安全。

對於醫療應用而言，允許的漏電流會遠小於其他一般用途應用。原因在於，漏電流若流經人體，尤其是胸部，即使電流量低於毫安，都可能造成心跳停止。在「正常」操作環境下，此電流將為零或接近零，但此標準假定發生故障的情形下，電流會引導通過人體。

會如何影響對這兩種方式的選擇，以回應多重 AC/DC 電軌的需求？即使第二種方是似乎較佳 (且某些情況下似乎如此)，卻會因為法規標準的要求，有微小但相當重要的技術考量。法規標準要求測量最終產品的整體漏電流，而非測量個別組成的供應器。因此，雖然個別多輸出電源供應器的漏電流低於最大允許值 (圖 2)，但多個單輸出電源供應器的漏電流總和可能超過該限值，即使每個單輸出供應器的漏電流都低於該限值 (圖 3)。

圖 2：提供多重 DC 輸出最常見的方法是使用單一多輸出 AC/DC 供應器，而且預先設定好輸出電壓值並指定最大漏電流。(圖片來源：MEAN WELL)

圖 3：一種提供多重 DC 輸出的替代方案，是使用一組單一輸出 AC/DC 供應器，但各個漏電流會累加且可能超過允許的限值。(圖片來源：MEAN WELL)

其次，許多醫療系統有相當獨特的要求，亦即需要兩個 MOPP 而非單一 MOPP。此種額外需求可提供多一層保障，避免一個 MOPP 故障時對病患造成傷害。另外，該系統對於操作員保護措施 (MOOP) 也有相應的要求。

雖然有各種不同的方式在產品電力次系統之外的電路內實作 MOPP，但通常會在產品電力次系統內部採用隔離變壓器 (變壓器若滿足醫療特定法規標準則被視為 MOPP)。在缺少變壓器二次側的接地返迴路徑下，配合其他法規要求可以提供一個 MOPP，而一次側／二次側提供的隔離是第二個 MOPP (圖 4)。

圖 4：隔離型變壓器與一次和二次繞組對，可在 AC 運作的電源供應器中提供 MOPP。(圖片來源：MEAN WELL)

此外，還有定義效率要求的多項標準，從而增加難度。如同漏電流，這些標準檢視的是在定義的操作條件及功率等級下的整體系統效率。即使多電軌系統的個別供應器滿足這些標準，但是，法規是依據系統整體效率來審核，而不是針對下層供應器進行個別評估。

將模組化方式用於電源供應器

截至目前為止，多電軌選項有兩種：其一，使用單一多輸出 AC/DC 供應器，有預設的固定輸出，且靈活性有限；其二，使用一組不同的單輸出 AC/DC 供應器，以便視需要混用。

但還有另一種選項：MEAN WELL 開發出模組化 AC/DC 架構，結合輸出配置的靈活性，同時超越包括醫療標準在內的所有相關法規標準。MEAN WELL 系統涵蓋模組化機殼與使用者可選的插入式 DC 輸出模組 (圖 5)。

此機殼有兩種容量可供選擇：NMP650-CEKK-03 四通道 (插槽) 熱傳導散熱機殼，額定功率為 650 W；NMP1K2 六通道強制氣冷式 (風扇) 散熱機殼，額定功率為 1200 W。兩種機殼均採用 1U 輕薄型機械設計，適合用於空間狹小的情況 (1U 等於 1.75 in/44.45 mm 的機架高度)。

圖 5：MEAN WELL 系統由模組化機殼組成，包括四個或六個通道，加上一系列插入式 DC 輸出模組。圖片所示的 NMP1K2 頂蓋 (頂部) 已移除，並置於定位 (底部)。(圖片來源：MEAN WELL)

此機殼包含一次側 AC 線路隔離變壓器，以及前端電力轉換／調節電路 (圖 6)。NMP1K2 的風扇轉速可透過其內部溫度偵測功能自動調整，維持熱要求，同時將能源的耗用與噪音降至最低。NMP 系列符合 IEC 60601-1 醫療安全認證 (一次側／二次測：2 × MOPP；一次側接地：1 × MOPP) 以及資訊技術 (IT) 產業法規 IEC 62368-1。此系列也符合相關電磁相容性 (EMC) 干擾與耐受性法規要求，其中包括 (但不限於) EN61000 所指定的要求。

圖 6：NMP 機殼提供必要的 AC 線路變壓器，以及前階段的電力轉換及控制電路。(圖片來源：MEAN WELL)

任一機殼的通道 (插槽) 均插上 DC 輸出模組且具備所需的輸出額定值，如 NMS-240-5 的 5 V (標稱)/36 A 單元 (圖 7 與圖 8)。單一輸出系列模組的其他型號提供 12 V/20 A、24 V/10 A 及 48 V/5 A 等多種輸出。

圖 7：NMP650 與 NMP1K2 機殼的 NMS-240-5 模組可在最多 36 A 下提供 5 V (標稱) 電力 (圖片來源：MEAN WELL)

圖 8：5 V/36 A NMS-240-5 模組滑入 NMP650 與 NMP1K2 機殼中的插槽。(圖片來源：MEAN WELL)

對於需要從單一滑入模組提供雙 DC 輸出的應用來說，MEAN WELL 提供 3 至 30 V/5 A、雙輸出模組的 NMD-240 (圖 9)。

圖 9：NMD-240 是單插槽、雙輸出模組，在兩個通道上最多可在 5 A 下提供 30 V。(圖片來源：MEAN WELL)

增加多功能性的其他特點

電源供應器的效能特性由其最優先參數的相關規格所定義，這些參數包括輸出電壓準確度、暫態與過載響應、溫度穩定性、線路穩壓、負載穩壓等。然而，還有其他特點，可添加供應器的實用性並且可讓使用者更安心使用。MEAN WELL 的 NMP650 及 NMP1K2 機殼及其插入式模組中，這些額外特點包括：

• 保護：所有輸出模組都內建有短路、過載、過電壓與過熱等多項防護功能，而較新產品是以 TTL 等級的訊號輸出標示，最大的流出電流為 10 mA。
• 輔助電力輸出：NMP650 機殼提供 5 V/1.5 A 輸出，而 NMP1K2 則提供 5 V/10 mA，相當適合在全尺寸模組可能過大時，提供支援功能。
• 另有一個特點可因應多輸出電源供應器相關的問題。在某些情況中，使用者需要為整個機殼與所有輸出，提供單一的開啟及關閉控制。但是，在測試甚至於操作狀況下，也需要對輸出進行個別的控制，以獨立開啟及關閉每個輸出軌。NMP 機殼具備全域開啟及關閉控制功能，同時每個 DC 輸出模組可以透過遠端訊號及本機開關，執行個別的開啟及關閉功能。
• 最後，還可針對模組電流與電壓進行編程。可使用 0 V 至 1 V 的外部 DC 訊號，對每個模組的輸出電壓進行編程，使其介於標稱值的 50% 與 100% 之間，並將輸出電流編程至 40% 至 100% 之間。

結論

選擇多輸出 AC/DC 電源供應器時需要考慮到效能、功能、特點、採購與法規標準等因素。MEAN WELL 的 NMP 機殼提供多種插入式輸出卡選項，設計人員可彈性選擇輸出配置，並提供多項特點，能快速、輕鬆滿足最終使用者的各式需求。