In molte applicazioni, i progettisti richiedono soluzioni AC-DC a uscita multipla per le loro apparecchiature finali.
A seconda del numero di uscite richieste, sono disponibili tre opzioni principali:
- l’utilizzo di più alimentatori AC-DC a uscita singola,
- la realizzazione di un’architettura di alimentazione distribuita (DPA),
- l’utilizzo di un alimentatore modulare o configurabile ad uscita multipla.
Questo articolo esplora gli aspetti tecnici dell’utilizzo di ciascuna opzione e ne esamina i principali vantaggi e svantaggi.
Utilizzo di più alimentatori AC-DC ad uscita singola
L’utilizzo di più alimentatori AC-DC a uscita singola sembra un approccio semplice (vedi Figura 1).
È relativamente facile reperire e acquistare unità standard a uscita singola da un’ampia gamma di fornitori, e il costo di acquisto iniziale è potenzialmente più basso rispetto a quello di soluzioni di alimentazione più complesse.
Tuttavia, più unità occupano inevitabilmente più spazio rispetto a una singola unità multi-uscita, una limitazione che può risultare critica nelle applicazioni con vincoli di spazio.
Inoltre, ogni alimentatore genera il proprio calore e la gestione dell’emissione termica di più unità vicine può essere complessa e richiedere potenzialmente soluzioni di raffreddamento aggiuntive, come dissipatori di calore, ventole di raffreddamento o entrambi.
Il funzionamento simultaneo di più unità comporta anche l’aumento del rischio di interferenze elettromagnetiche (EMI). Queste possono influire sulle prestazioni dell’apparecchiatura, ridurre la qualità dell’alimentazione, aumentare i livelli di rumore, interferire con altri dispositivi e ridurre l’efficienza.
Se non tenute entro i limiti prescritti, le EMI possono anche complicare la conformità dell’apparecchiatura finale agli standard EMC internazionali, come quelli della Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC).
In particolare nelle applicazioni medicali, la somma delle correnti di dispersione a terra di più unità può superare i limiti di sicurezza, generalmente di 500µA, rendendo questo approccio meno praticabile, anche se ogni alimentatore a uscita singola è certificato dal punto di vista medicale.
Poiché i produttori di alimentatori, per le loro unità certificate per uso medicale, specificano spesso una corrente di dispersione a terra di circa 250µA, nella migliore delle ipotesi sarà possibile utilizzare solamente due di queste unità nel progetto del sistema.
Va anche detto tuttavia, che alcuni alimentatori a uscita singola presenti sul mercato vanno oltre la specifica di 250µA. Ad esempio, gli alimentatori CUS250M di TDK-Lambda hanno una corrente di dispersione a terra inferiore a 150µA, fatto che consente di utilizzarne fino a tre nel sistema di alimentazione.
Occorre inoltre considerare la corrente di spunto (inrush) cumulativa, che può rappresentare un problema durante l’installazione e potenzialmente richiedere l’utilizzo di un circuito di protezione dedicato o una gestione della fase di accensione degli alimentatori.
In ogni caso il cablaggio, soprattutto per l’ingresso AC, diventa più complesso e macchinoso, aumentando il rischio di errore in fase di installazione e manutenzione. Ogni unità aggiuntiva introduce un potenziale rischio di guasto, riducendo l’affidabilità complessiva.
In fase di produzione, la gestione delle scorte di diversi codici può complicare la logistica e aumentare il rischio di esaurimento dello stock o ritardi nelle consegne.
Architettura di potenza distribuita
L’architettura di potenza distribuita (DPA) è un approccio alla progettazione degli alimentatori che separa il processo di conversione AC-DC da quello di conversione DC-DC spostando quest’ultimo più vicino al punto di carico (vedi Figura 2).
Questo metodo può offrire diversi vantaggi ai progettisti, soprattutto se sono necessarie solo un paio di uscite aggiuntive. Tuttavia, come ogni scelta progettuale, anche la DPA presenta una serie di vantaggi e svantaggi.
Inizialmente, una soluzione DPA può risultare conveniente in termini di costi di acquisto. Utilizzando un convertitore AC-DC standard e distribuendo l’alimentazione DC dove necessario, i progettisti possono sfruttare le economie di scala e ridurre il costo dell’intero sistema.
Inoltre questo tipo di architettura consente una maggiore flessibilità nella progettazione e nella configurazione meccanica del sistema. Poiché i convertitori DC-DC possono essere posizionati più vicino ai carichi, gli ingegneri hanno maggiore libertà di progettazione nella disposizione dei componenti all’interno dell’apparecchiatura, con il potenziale vantaggio di un utilizzo più efficiente dello spazio e di prestazioni migliori.
Questo approccio DPA facilita anche la scalabilità e la modularità del progetto. I progettisti possono facilmente aggiungere o rimuovere convertitori DC-DC per soddisfare i requisiti specifici di potenza delle diverse parti del sistema senza dover riprogettare l’intero alimentatore.
Tuttavia, con l’aumentare della potenza di uscita richiesta sui canali secondari, la loro integrazione meccanica e termica diventa più critica. Garantire un raffreddamento adeguato e la stabilità meccanica dei convertitori DC-DC ad alta potenza può essere impegnativo, soprattutto in progetti dove la compattezza risulta essere un requisito fondamentale.
L’implementazione di una soluzione DPA richiede un team in grado di integrare vari componenti su uno o più PCB. Ciò richiede un’elevata competenza nella progettazione elettronica, compresa la comprensione della gestione dell’alimentazione, delle considerazioni EMC e della gestione termica.
Il progettista ha l’onere di organizzare test EMC completi e di conformità, nonché i test termici. Questi passaggi aggiuntivi possono comportare un aumento significativo di tempi e costi del processo di sviluppo, in termini di “tempo in camera anecoica” e di “tempo di progettazione” extra, soprattutto per sistemi complessi in apparecchiature medicali soggette a rigorosi requisiti normativi.
Come nel caso dell’utilizzo di più alimentatori AC-DC a uscita singola, l’approccio DPA richiede l’approvvigionamento di vari componenti e la potenziale gestione di fornitori esterni di servizi di produzione elettronica (EMS).
Il risultato può essere una catena di fornitura più complessa e un aumento dei costi generali di gestione. Inoltre, se è necessario l’isolamento galvanico tra le diverse parti del sistema, sono necessari convertitori DC-DC isolati, che sono in genere più grandi e più costosi di quelli non isolati, riducendo i vantaggi economici della soluzione DPA.
Prodotti modulari o configurabili
L’utilizzo di alimentatori modulari o configurabili è un’opzione interessante per i progettisti che cercano una soluzione versatile e pronta all’uso per le loro esigenze di progettazione del sistema (vedi Figura 3).
Questi sono generalmente più compatti rispetto a una soluzione equivalente composta da diverse unità a singola uscita, caratteristica che risulta essere particolarmente vantaggiosa nelle applicazioni in cui gli spazi sono limitati.
Un altro vantaggio dell’utilizzo di un alimentatore modulare o configurabile è che non richiede una conoscenza tecnica approfondita del prodotto né la manutenzione da parte di reparti R&D e sicurezza specializzati.
È dotato di certificazione di sicurezza completa, prestazioni EMC note e valori di corrente di dispersione a terra specifici. La serie compatta TDK-Lambda MU4, ad esempio, può fornire fino a cinque uscite e dispone di livelli di isolamento in grado di garantire un livello di protezione paziente completo (MOPPs), inclusa l’uscita verso terra, per semplificarne l’implementazione in applicazioni medicali con classificazione body floating (BF).
Queste caratteristiche riducono significativamente il tempo e le risorse necessarie per garantire che l’apparecchiatura finale soddisfi i severi requisiti normativi. Inoltre, queste unità producono una bassissima rumorosità acustica, migliorando l’esperienza dell’utente e del paziente.
Gli alimentatori modulari e configurabili sono progettati per essere adattabili, consentendone la personalizzazione in base alle esigenze specifiche dell’apparecchiatura finale.
Questo approccio plug-and-play facilita l’installazione e il cablaggio, riduce i tempi di configurazione e semplifica la manutenzione futura, rendendolo particolarmente interessante per i team più piccoli o le aziende che desiderano ottimizzare i propri processi di sviluppo.
Per fare un ulteriore passo avanti, il Quick Product Finder di TDK-Lambda è uno strumento online semplice da utilizzare che provvede automaticamente ad una configurazione delle migliori soluzioni di alimentazione, in base alle tensioni e correnti richieste, tramite una selezione ottimizzata dei moduli e dei convertitori disponibili.
Inoltre, dal momento che la soluzione di alimentazione specificata richiede un solo codice articolo, la gestione dell’inventario è molto più semplice. Sarà possibile anche ridurre la complessità logistica e i requisiti di magazzino, con conseguente risparmio sui costi e miglioramento dell’efficienza produttiva.
Strategie di alimentazione: sintesi e raccomandazioni finali
Anche se a prima vista la scelta di utilizzare più alimentatori AC-DC ad uscita singola può sembrare conveniente e semplice, le implicazioni a lungo termine in termini di dimensioni, gestione termica, affidabilità e conformità possono incidere significativamente sul risparmio iniziale percepito.
Valutare soluzioni AC-DC multi-uscita integrate è spesso l’approccio più prudente per le applicazioni che richiedono una soluzione di alimentazione di alta qualità, affidabile e compatta, soprattutto in ambienti sensibili o ad alte prestazioni come applicazioni medicali o industriali.
D’altra parte, una soluzione DPA offre un approccio flessibile e potenzialmente conveniente per lo sviluppo di soluzioni AC-DC multi-uscita. E’ tuttavia richiesto un elevato livello di competenza nella progettazione di sistemi di alimentazione e la condotta di test approfonditi per garantire affidabilità, conformità e prestazioni. La scelta di utilizzare una DPA dovrebbe basarsi su un’attenta considerazione di questi fattori, pesati rispetto ai requisiti e ai vincoli specifici dell’applicazione finale.
Gli alimentatori modulari e configurabili offrono una soluzione interessante per i progettisti che cercano di bilanciare le esigenze di fornitura di potenza, certificazione e facilità di integrazione nel sistema. Offrono un percorso semplificato per la conformità agli standard di sicurezza e di compatibilità elettromagnetica, semplificano l’inventario e la logistica e rendono l’integrazione degli alimentatori accessibile a quei team che non dispongono di competenze tecniche approfondite.
Qualunque sia l’approccio progettuale che decidiate di adottare, vi consigliamo vivamente di contattare il vostro fornitore per suggerimenti e indicazioni. Il costruttore dei prodotti per la conversione di potenza, così come i suoi distributori, avranno probabilmente una conoscenza e un’esperienza nello sviluppo di progetti di sistemi simili che potranno utilizzare per guidarvi nella scelta della migliore soluzione di alimentazione possibile.
di Giulio Bocciolini, Product Marketing Manager Modular & Configurable Products, TDK-Lambda EMEA
