Valg og anvendelse af den optimale DC/DC-konverter til medicinske applikationer

Det er kompliceret at designe en strømforsyning, der kører på vekselstrøm eller batteri. Designeren skal udvikle en løsning, der giver en stabil spænding og strøm på tværs af varierende belastninger, samtidig med at den fungerer effektivt for at minimere strømforbruget. Men når strømforsyningen er beregnet til et medicinsk produkt, bliver designet mere kompliceret på grund af elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), strenge sikkerhedskrav med hensyn til elektrisk kontakt med en patient og beskyttelse mod elektromagnetisk interferens (EMI).

Det er dyrt og tidskrævende at opfylde disse krav for designere, der udvikler medicinske strømforsyninger helt fra bunden. Kommercielle modulære DC/DC-omformere er et alternativ, men man skal være forsigtig, når man vælger og anvender disse løsninger.

Denne artikel beskriver kort en DC/DC-konverters rolle i et strømforsyningskredsløb og skitserer de udvælgelseskriterier og særlige overvejelser, der kræves til medicinske anvendelser. Derefter introduceres eksempler på enheder fra XP Power, og der vises en anvendelsesmodel.

En DC/DC-konverters rolle

Batterier har en nominel spænding, men effekten påvirkes af faktorer som opladningstilstand, spidsbelastning og temperatur. En vigtig egenskab er, at udgangsspændingen falder, når batteriet aflades. Men IC'er og andre følsomme komponenter kræver en stabil spænding for at fungere korrekt. En DC/DC-konverter tilbyder en løsning ved at regulere indgangsspændingen for at give en pålidelig og ensartet udgangsspænding (eller udgange) til at drive slutproduktet.

DC/DC-konvertere er også almindelige i netdrevne produkter. En indledende AC/DC-konverter regulerer AC-nettet til en DC-spænding med en eller flere DC/DC-konvertere. Derefter bringer yderligere regulering denne spænding til et passende niveau for slutproduktet.

Topologier for DC/DC-omformere kan være lineære eller switching. Lineære regulatorer er enkle og robuste enheder, men deres effektivitet falder, når forskellen mellem indgangs- og udgangsspænding stiger. Lineære regulatorer kan også kun skrue ned (buck) i stedet for at skrue op (boost) eller invertere en spænding. Når man ikke kan øge spændingen, er der et uudnyttet potentiale i batterierne.

Koblingsregulatorer bruger et koblingselement, der er pulsbreddemoduleret (PWM) og typisk består af en eller to MOSFET'er parret med en eller to induktorer og kondensatorer til energilagring og filtrering. De vigtigste grunde til, at designere vælger switching-regulatorer, er høj effektivitet og høj effekttæthed. Desuden kan regulatorerne booste, bucke og invertere spændinger.

Udfordringerne for designere, der bruger switching-regulatorer, omfatter designkompleksitet, omkostninger og potentielle EMI-problemer på grund af switching-elementerne. Det er muligt at designe en DC/DC-switchingregulator fra bunden, og en sådan tilgang kan spare nogle omkostninger og plads, men det er komplekst og tidskrævende. Et alternativ er at vælge fra den brede vifte af kommercielle moduler, såsom XP Powers JMR-serie, der integrerer de primære elementer i koblingsregulatoren i en enkelt enhed, der er kompakt, pålidelig og nem at designe ind i et produkt (figur 1).

Figur 1: Modulære enheder som JMR-serien integrerer de primære elementer i en DC/DC-switchingregulator i en enkelt enhed, der er kompakt, pålidelig og nem at indføre i designet. (Billedkilde: XP Power)

Valg af en DC/DC-konverter

Der er mange faktorer at tage hensyn til, når man skal vælge en DC/DC-konverter. Nogle er indlysende; for eksempel vil applikationen bestemme indgangs- og udgangsspændinger og indgangs- og udgangsstrøm. Andre er mere nuancerede. For eksempel kræver maksimering af effektiviteten, at man tager højde for slutproduktets typiske belastningsprofil. Designeren bør også undersøge databladets effektivitetskurver for de udvalgte DC/DC-konvertere for at sikre, at slutproduktet generelt fungerer i konverterens effektivitetsmæssige sweet spot.

XP Powers JMR1024S05 er et godt eksempel på en DC/DC-konverter til en medicinsk applikation. Denne konverter er en ultrakompakt, printkortmonteret medicinsk enhed, der måler 20,3 x 31,8 x 10,2 millimeter (mm) med 3 mm gennemgående ledere. Den har et output på 5 V fra et nominelt input på 24 V (min. 9 V, maks. 36 V). Modulet har en maksimal udgangsstrøm på 2 ampere (A) og en indgangsstrøm ved fuld belastning på 491 milliampere (mA). Udgangsspændingen er 75 millivolt (mV) peak to peak (pk-pk), og dens effektivitet er 84,9 %.

Modulet har et lavt strømforbrug uden belastning på 6 mA, hvilket øger effektiviteten og sænker strømforbruget. Der kan spares yderligere 3 mA på strømforbruget uden belastning ved at spærre modulet på afstand (figur 2). Modulet er tændt, hvis ben 1 er et åbent kredsløb; modulet er slukket, hvis ben 1 er forbundet med en strømkilde på 2 mA til 4 mA, eller hvis der tilføres 2,2 V til 12 V til ben 1 i forhold til ben 2.

Figur 2: JMR1024S05's strømforbrug uden belastning kan reduceres til 3 mA ved at spærre modulet på afstand. (Billedkilde: XP Power)

XP Power tilbyder alternativer i deres 10 watt-serie. JMR1048S12 fungerer f.eks. fra et nominelt 48 V input (18 V til 75 V) og leverer et 12 V output med en maksimal udgangsstrøm på 833 mA. Indgangsstrømmen ved fuld belastning er 237 mA, og når den kører i denne tilstand, er effektiviteten 88 %.

JMR1012D15 fungerer fra et nominelt 12 V input (4,5 V til 18 V) og leverer et ±15 V output med en maksimal strøm på 333 mA. Indgangsstrømmen ved fuld belastning er 957 mA, og når den kører i denne tilstand, er effektiviteten 87 %.

Switchfrekvensen for JMR 10 watt-serien er 300 kilohertz (kHz).

Særlige krav til medicinske anvendelser

Medicinske produkter kræver mere af en DC/DC-konverter, fordi de elektriske komponenter, der bruges i slutprodukterne, er underlagt den strenge medicinske sikkerhedsstandard IEC 60601-1.

I henhold til IEC 60601-1 defineres den "anvendte del" som det element i det medicinske udstyr, der kommer i direkte kontakt med en patient, eller som har dele, der sandsynligvis vil komme i kontakt med patienten under produktets normale brug. Standarden definerer anvendte dele i henhold til typen af patientkontakt og arten af det medicinske udstyr.

Type B-klassifikation gives til anvendte dele, der generelt er ikke-ledende og kan forbindes til jord. Type BF (body floating) gives til anvendte dele, der er elektrisk forbundet med patienten, og som skal være flydende og adskilt fra jord. Type BF dækker ikke anvendte dele med direkte kontakt til hjertet. Type CF-klassifikation (flydende hjerte) gives til anvendte dele, der er egnede til direkte tilslutning til hjertet. Anvendte dele af type CF skal være flydende og adskilt fra jord.

Patienttilsluttet medicinsk udstyr skal være forsynet med beskyttelsesmidler (MOP) for at forhindre, at anvendte dele (og andre tilgængelige dele) overskrider grænserne for spænding, strøm eller energi. En beskyttende jordforbindelse giver 1 x MOP, grundlæggende isolering giver også 1 x MOP, og forstærket isolering giver 2 x MOP.

MOP kan yderligere kategoriseres som Means of Operator Protection (MOOP) og Means of Patient Protection (MOPP). I enheder, der er beregnet til patienttilslutning, kræves 2 x MOPP.

Strømforsyninger til medicinsk udstyr med Type BF- og CF-klassifikation skal have 2 x MOPP fra primær til sekundær og 1 x MOPP fra primær til jord. Yderligere sikkerhedsisolering fra enhver sekundær udgang på strømforsyningen til jord skal også være klassificeret til 1 x MOPP for den højest klassificerede indgående AC-linjespænding. Tabel 1 viser luftafstand, krybeafstand og testspændinger for grundlæggende (1 x MOP) og forstærket (2 x MOP) isolering i både MOOP- og MOPP-applikationer.

Tabel 1: Her vises luftafstand, krybeafstand og testspændinger for grundlæggende (1 x MOP) og forstærket (2 x MOP) isolering i både MOOP- og MOPP-applikationer. (Tabelkilde: XP Power)

Ud over MOP for MOOP- og MOPP-applikationer skal strømforsyningen til et medicinsk udstyr være designet til at begrænse berøringsstrømmen, patientens hjælpestrøm og patientens lækstrøm. De maksimalt tilladte værdier for berøringsstrømmen er 100 mikroampere (μA) under normale forhold og 500 μA i en enkelt fejltilstand (SFC). Dette krav begrænser effektivt systemets jordlækagestrøm til 500 μA ved normal drift.

Kravene til berøringsstrøm, patientens hjælpestrøm og patientens lækstrøm er en udfordring for designerne. De skal sikre, at strømforsyningen giver den nødvendige sikkerhedsisolering og samtidig minimerer lækstrømme under normal drift og beskyttelse under fejlforhold ved at isolere patienten fra jorden.

Endelig skal det medicinske udstyr overholde de EMC-krav, der er beskrevet i IEC 60601-1-2. Disse krav har til formål at forbedre udstyrets immunitet over for de mange trådløse kommunikationsenheder, der arbejder tæt på livsvigtigt udstyr. Det sekundære formål med kravene er at give EMC-vejledning til udstyr, der bruges uden for hospitalet, hvor der er tendens til mindre kontrol over EMC-miljøet.

Brug af en DC/DC-konverter som andet isolationstrin

Designudfordringerne i forbindelse med særlige medicinske krav kan afhjælpes ved omhyggeligt at vælge en DC/DC-konverter til at indføre et andet isolationstrin. Tilføjelsen af dette trin giver grundlæggende isolation ved AC-linjespænding. Den minimerer også input-to-output-kapacitansen (til omkring 20 til 50 picofarader (pF)), hvilket igen reducerer den potentielle patientlækagestrøm til blot nogle få mikroampere (figur 3).

Figur 3: En godkendt DC/DC-konverter (til højre) kan bruges til at regulere spændingen til den anvendte del, samtidig med at den giver sekundær isolation til 1 x MOPP og minimerer den potentielle patientlækstrøm. (Billedkilde: XP Power)

For eksempel har XP Power JMR-seriens 10 watt DC/DC-konvertere, der er beskrevet ovenfor, IEC60601-1-godkendelse af medicinsk sikkerhed, 2 x MOPP 5 kilovolt (kV) AC-forstærket isolation, 17 pF isolationskapacitans og 2 μA patientlækagestrøm, hvilket muliggør nem integration i en bred vifte af BF- og CF-medicinske applikationer.

EMC-filtrering, som er nødvendig for, at slutproduktet kan opfylde kravene i IEC 60601-1-2, kan tilføjes til kredsløbet mellem det medicinske udstyrs system og kontroller og DC/DC-konverteren uden at gå på kompromis med isolation eller lave lækstrømme. Figur 4 viser anbefalede EMC-filterkredsløb til overspænding og elektriske hurtige transienter (EFT) samt EMI klasse B.

Figur 4: Her vises anbefalede EMC-filterkredsløb til overspænding og EFT og EMI klasse B til brug med DC/DC-konvertere i JMR10-serien. (Billedkilde: XP Power)

Tabel 2 viser anbefalede komponentværdier for disse kredsløb, når man bruger enheder i JMR10-serien med indgangsspændinger på 12 V, 24 V og 48 V.

Tabel 2: Her vises de anbefalede komponentværdier for de kredsløb, der er vist i figur 4. (Tabelkilde: XP Power)

Konklusion

Modulære og højt integrerede DC/DC-konvertere forenkler designet af pålidelige, højtydende strømforsyninger til medicinske systemer. Alligevel skal designere omhyggeligt vælge en enhed med IEC 60601-1-certificering for at sikre, at den opfylder standardens krav til operatør- og patientsikkerhed samt EMC.