Vælg den rigtige AC/DC-strømforsyning til at opfylde unikke medicinske krav

Forbedringer i batteriteknologien sammen med fremskridt inden for kredsløb med lav effekt har gjort bærbare, batteridrevne systemer til en levedygtig mulighed for mange designs, men i anvendelser som f.eks. inden for lægevidenskab og hjemmepleje er batteridrift alene og ubundet drift ikke mulig, praktisk eller endda ønskelig. I stedet skal udstyret drives direkte fra en AC-ledning eller have adgang til en AC-udtag for at sikre pålidelig drift, når batterierne er svage. I disse tilfælde skal AC/DC-strømforsyningen yde den sædvanlige strømforsyningsydelse med hensyn til spænding og strømudgang, statisk og dynamisk regulering samt fejl- og andre beskyttelsesfunktioner.

Desuden er den grundlæggende strømforsyningsydelse ikke den eneste bekymring for designere af medicinske systemer. Der findes forskellige reguleringsstandarder - og er for nylig blevet opgraderet - som tilføjer yderligere krav til mindre indlysende præstationsspørgsmål som f.eks. galvanisk isolationsspænding, lækstrøm og to former for patientbeskyttelse (2×MOPP). Disse er indført for at sikre, at det udstyr, som forsyningen forsyner udstyret, ikke udsætter operatøren eller patienten for fare, selv hvis der opstår en fejl i forsyningen eller udstyret.

Kombinationen af krav til ydelse, pålidelighed og standarder samt pres på omkostninger og markedsføringstid gør det til en udfordring at designe en strømforsyning fra bunden. I stedet skal designerne se nøje på en række færdige muligheder for at finde den optimale løsning.

Denne artikel omhandler anvendelser af AC/DC-strømforsyninger i medicinske instrumentmiljøer og gennemgår de kritiske reguleringsstandarder for disse strømforsyninger. Derefter præsenteres eksempelforsyninger fra CUI Inc. og diskuteres deres respektive egenskaber, og hvordan de kan hjælpe med at løse udfordringen med strømforsyninger til medicinske systemer.

Bruger du AC-strøm eller batterier?

Selv om batteridrevne og bærbare enheder uden kabel er blevet almindelige og endog foretrukne i mange forbruger- og kommercielle produkter, er der stadig mange situationer, hvor batteridrift enten er upraktisk eller uønsket. Dette gælder især for medicinske instrumenter, hvor det er vigtigt med konsekvent, pålidelig og øjeblikkelig tilgængelighed. Blandt årsagerne til, at medicinske systemer kan foretrække eller kræve AC-drift, er følgende:

• Høje krav til effekt, spænding eller strømstyrke, som kan kræve et stort, tungt og dyrt batterisystem sammen med et kredsløb til styring af genopladning.
• Mange medicinske steder har 12, 18 og endda 24 timers daglige vagter på grund af patientplanlægning.
• Selv for de systemer, der kan bruge genopladelige batterier til primær strømforsyning eller nødbackup, skal disse batterier oplades, mens systemet er i brug, og i den periode skal AC/DC-strømforsyningen levere strøm.

I princippet bør enhver standard AC/DC-strømforsyning af passende størrelse og med passende spændings- og strømpegrænser være velegnet til disse systemer. Men selv om de er tilstrækkelige i grundlæggende forstand, opfylder de ikke de yderligere standarder, der stilles til medicinske forsyninger.

Begrundelsen for disse yderligere sikkerheds- og ydelseskrav er den unikke karakter af medicinske anvendelser og den meget reelle mulighed for, at komponent- eller systemfejl kan forårsage skade på patienter eller operatører. Det er især en udfordring, da patienten ofte er i direkte kontakt med sensorer, sonder eller andre transducere, der kan lede strøm direkte ind i kroppen, hvilket udgør en større risiko end tilfældig kontakt.

Begynd med de grundlæggende sikkerhedsregler

Selv om risikoen for stød normalt er forbundet med højere spændinger, er der kun en indirekte sammenhæng. Stød fra patienten eller brugeren skyldes, at strømmen løber gennem kroppen og tilbage til kilden. Men hvis denne strøm ikke har nogen returstrømsvej, er der ingen risiko, selv om personen rører ved en højspændingsledning.

Bortset fra meget specielle undtagelser har den netdrevne AC/DC-strømforsyning en isoleringstransformator på indgangssiden, som kan have to funktioner:

• Giver spændingstrin op/ned for linjespændingen efter behov, før den ensrettes til DC.
• Sørg for ind-/udgangsisolering, så der ikke er nogen vej for strømmen gennem brugeren og tilbage til den neutrale linje. Dette er kritisk i tilfælde af en fejl, der kan sætte spænding og strøm på enhedens overflade og dermed til og gennem operatøren eller patienten (Figur 1).

Med isolationstransformatoren på plads kan denne strømgennemstrømning ikke finde sted, fordi isolationstransformatoren ikke har en ledningssti fra AC-linjens neutralpunkt til jord, så strømmen vil ikke strømme gennem brugeren.

Figur 1: Isolationstransformatoren afbryder strømvejen fra neutral til jord, så strømmen ikke løber gennem brugeren, selv hvis brugerens enhed eller system ved et uheld bliver tilsluttet den udsatte kasse. (Billedkilde: Quora)

Hvorfor bekymre sig om strøm?

Standardnetspænding (110/230 volt; 50 eller 60 hertz (Hz)) over brystet - selv i en brøkdel af et sekund - kan fremkalde hjerteflimmer ved strømme så lave som 30 mA. Hvis strømmen har en direkte vej til hjertet, f.eks. via et hjertekateter eller en anden form for elektrode, kan en meget lavere strømstyrke på under 1 mA (AC eller DC) forårsage flimmer.

Dette er nogle standardtærskelværdier, som ofte nævnes for strøm gennem kroppen ved hudoverfladekontakt:

• 1 mA: Næppe mærkbar.
• 16 mA: Maksimal strømstyrke, som en person af gennemsnitsstørrelse kan tage fat i og "give slip".
• 20 mA: Lammelse af åndedrætsmusklerne.
• 100 mA: Tærskelværdi for hjerteflimmer.
• 2 A: Hjertestop og skader på indre organer.

Niveauerne er også en funktion af strømningsvejen, dvs. hvor de to kontaktpunkter med kroppen er placeret, f.eks. på tværs af eller gennem brystet, fra en arm ned til fødderne eller på tværs af hovedet.

Transformatorisolation og lækage er kritisk

Lækage er strøm, der passerer gennem den dielektriske isolering, enten på grund af fysiske "lækager" som følge af isoleringens ufuldkommenhed eller på grund af kapacitive strømme, der kan passere gennem selv usædvanlig god isolering. Selv om lækstrøm aldrig er ønskeligt, er det et meget større problem i visse medicinske applikationer.

En forenklet model af en transformer viser perfekt galvanisk (ohmsk) isolation mellem dens primære og sekundære side i figur 2.

Figur 2: Denne grundlæggende model af en transformer viser, at der ikke er nogen strømvej fra primærsiden til sekundærsiden. (Billedkilde: Power Sources Manufacturers Association)

Ingen strøm kan flyde direkte fra AC-nettet til det strømforsynede produkt - og dermed dannes der en komplet strømløkke tilbage til AC-nettet - selv hvis en komponent eller ledningsfejl giver en ny strømvej på den sekundære side. Ingen transformer i den virkelige verden er imidlertid perfekt, og der er altid en vis primær-sekundær mellemviklingskapacitet (figur 3).

Figur 3: En mere realistisk model viser den grundlæggende kapacitet (C_ps1) mellem primær og sekundær side. (Billedkilde: Power Sources Manufacturers Association)

En endnu mere sofistikeret model tilføjer yderligere kilder til kapacitet mellem viklingerne, som vist i figur 4.

Figur 4: Der er andre transformatorkapacitanser ud over C_ps1. (Billedkilde: Power Sources Manufacturers Association)

Denne uønskede kapacitet, som tillader lækstrøm, er en funktion af mange variabler såsom trådstørrelse, viklingsmønster og transformergeometri. Den resulterende værdi kan variere fra så lidt som en pF til et par µF. Ud over transformatorens kapacitive lækage er andre kilder til utilsigtede kapacitanser afstandene på printplader, isolering mellem halvledere og jordede køleplader og endda parasitære dele mellem andre komponenter.

Transformatorlækstrøm på grund af kapacitans er ikke det eneste problem i forbindelse med strømforsyninger til medicinsk standard. Naturligvis er grundlæggende sikkerhed og isolering af AC-anlægget et vigtigt punkt. Afhængigt af spændings- og effektniveauer kan disse forsyninger have brug for en anden, uafhængig isolationsbarriere ud over den primære.

Mange medicinske produkter involverer også meget lave signalniveauer (millivolt eller mikrovolt for f.eks. kropssensorer), så genereret elektromagnetisk interferens (EMI) eller radiofrekvensinterferens (RFI) (bredt kaldet elektromagnetisk kompatibilitet eller EMC) er også et problem. De relevante standarder angiver den maksimalt tilladte EMI/RFI-generering samt tolerancen herfor.

Standarder og beskyttelsesmidler (MOP)

Den primære standard for medicinsk elektronik og sikkerhed er IEC 60601-1 - Medicinsk elektrisk udstyr - Del 1: Generelle krav til grundlæggende sikkerhed og væsentlige ydeevne, samt de forskellige tilhørende standarder. Den 3. udgave af IEC 60601-1 udvider patientfokus til at kræve en overordnet MOP, der kombinerer en eller flere midler til beskyttelse af operatøren (MOOP) og midler til beskyttelse af patienten (MOPP).

Mens de grundlæggende bestemmelser i 2. udgave, der beskytter mod fejl, fortsat er gældende, anerkender 3. udgave således, at de potentielle farer, som hver enkelt bruger ser, kan være helt forskellige; en operatør har f.eks. adgang til et kontrolpanel, mens patienten kan være "forbundet" via sonder.

Den tredje udgave af standarden nævner specifikt den risikostyringsproces, der er beskrevet i ISO 14971, som omfatter en risikostyringsfil, hvor fejlbetingelser identificeres og vurderes. Den nyligt aktiverede 4. udgave af denne standard går endnu længere. For det første er der tilføjet opdateringer for at tage højde for teknologiske ændringer. For det andet udvider den også risikoanalysen og behandler en gensidig bekymring om EMC, der påvirker både det pågældende medicinske udstyr og andet udstyr i nærheden. Med andre ord går standarden videre end at sige: "Du bør gøre dette" eller "Du bør gøre det på denne måde", men kræver nu en vurdering og endda kvantificering af relevante risici og hvordan de kan afbødes.

Forsyninger og MOP

Lovgivningsmæssige standarder har skabt beskyttelsesklasser for produkter, der er kendetegnet ved de midler, der skal beskytte operatøren mod farlige spændinger, og som betegnes som klasse I og klasse II.

I et klasse I-produkt vil der være et ledende chassis, som er forbundet med sikkerhedsjord. Derfor kræves der en indgangsnetsnor med en leder til jord som sikkerhed i produkter i beskyttelsesklasse I. I modsætning hertil har et klasse II-produkt ikke en leder til jord i indgangsnettet. I stedet er der et andet lag isolering for at beskytte operatøren, da der ikke er et jordet chassis (Figur 5).

Figur 5: Klasse I-enheder kræver kun basisisolering og et jordet chassis, mens klasse II-enheder kræver yderligere isoleringsmåder. (Billedkilde: CUI Inc.)

Der er forskellige krav til MOP, såsom isolation, krybning og isolering i IEC 60601-1, herunder om kravet er til MOOP eller det strengere MOPP (Figur 6).

Figur 6: De forskellige beskyttelsesmetoder og -niveauer har forskellige krav til isolationsspænding, krybning og isolering. (Billedkilde: CUI Inc.)

Standarden definerer, hvilken klassifikation der kræves i forskellige anvendelsessituationer. For eksempel skal udstyr, der har fysisk kontakt med en patient, som f.eks. en blodtryksmåler, typisk opfylde kravene til både to MOOP- og en MOPP-krav.

Der er ikke noget enkelt tal, der kan fastsættes på forhånd for den værdi, der kræves for hver parameter, da deres maksimale værdier afhænger af mange faktorer. De er også defineret ved, om det overordnede design anvender enkelt eller dobbelt MOP'er, og om det pågældende MOP er et MOPP eller MOOP.

IEC-beskyttelsesklasserne regulerer konstruktionen og isoleringen af strømforsyninger for at beskytte brugeren mod elektrisk stød. IEC-beskyttelsesklasse II-strømforsyninger har en to-ledet netledning med to lag isolering (eller et enkelt lag forstærket isolering) mellem brugeren og de interne strømførende ledere.

Det første lag isolering kaldes typisk "basisisolering", som f.eks. den isolering, der normalt anvendes på ledninger. Det andet lag isolering er ofte et isolerende hylster, der omslutter produktet (og kan være mærket som "dobbeltisoleret"), som f.eks. det plasthylster, der anvendes til strømforsyninger til vægmontering og skrivebordsapparater.

Fremstille kontra købe

Grundlæggende strømforsyningsdesign understøttes af mange tilgængelige komponenter, anvendelsesnoter, referencedesigns og meget mere. Derfor kan designere være fristet til at designe og bygge deres eget, der er skræddersyet præcist til applikationens krav og prioriteter. Der er ingen tvivl om, at i nogle tilfælde er forsyningskravene så usædvanlige eller unikke, at der ikke findes nogen kommerciel forsyning, så "gør-det-selv" er den eneste mulighed.

Selv om "gør-det-selv" er muligt, er argumenterne imod det stærke: "gør-det-selv" er forbundet med en høj design- og certificeringsrisiko samt lang tid til markedsføring. Desuden resulterer den større mængde forsyningsleverandører sammenlignet med "gør-det-selv"-indsatsen i en lavere materialebeskrivelse (BOM) og samleomkostninger, så "gør-det-selv" er ikke engang en omkostningsbesparelse, undtagen måske ved meget lave effektniveauer (under ca. 10 watt), hvor de lovgivningsmæssige krav er mindre strenge.

OTS-enheder: Forskellige effektniveauer, formfaktorer

Det er én ting at tale om certificerede, myndighedsgodkendte AC/DC-strømforsyninger til medicinske applikationer i abstrakt form, men et kig på nogle af de tilgængelige versioner viser, at det ikke begrænser anvendelsesfleksibiliteten at opfylde disse krav. Leverandørerne tilbyder forskellige familier af strømforsyninger med en række forskellige spændings-/strømværdier inden for hver familie og kan således opfylde næsten alle projektkrav. Nogle eksempler viser bredden af det, der er tilgængeligt i eksterne adaptere, åbne moduler og lukkede enheder.

Eksempel 1: Eksterne desktop adaptere som f.eks. SDM65-UD-serien omfatter 24 volt, 2,7 A SDM65-24-UD-P5 (Figur 7). Denne familie af klasse II-strømforsyninger bruges ofte til strømforsyning/opladning af bærbare computere og lignende enheder og tilbyder et universelt inputområde på 90 til 264 volt og 47 til 63 Hz.

Disse nominelle 65 watt enheder har udgange, der dækker 12 volt ved 5 A til 5 volt ved 1,36 A, er anbragt i en fuldt lukket isolerende pakke, der måler ca. 120 × 60 × 36 mm, og omfatter en brugervenlig indikator-LED, der viser, at der er tændt.

Figur 7: SDM65-24-UD-P5 er en 24 V, 2,7 A, klasse II AC/DC-strømforsyning beregnet til ekstern brug i forhold til den enhed, som den forsyner. (Billedkilde: CUI Inc.)

Forsyninger i denne familie fungerer via en IEC320/C8 to-ledet AC-ledning, som brugeren selv skal levere. DC-udgangen leveres med en 150 centimeter (cm) ledning (16 eller 18 gauge, afhængigt af forsyningens udgangsstrøm), kan bestilles med en af to polaritetsretninger og en af en række almindelige "tønde"-stiktermineringer eller afisolerede/fortinnede ledninger (Figur 8).

Figur 8: Forsyninger i SDM65-UD-serien tilbydes med mange standard tøndekontakter til DC-udgangsstikket samt med afisolerede og fortinnede ledninger. (Billedkilde: CUI Inc.)

Eksempel 2: Moduler med åben ramme (eller bakke) som f.eks. VMS-550-serien omfatter VMS-550-48, en enhed på 48 volt, 11,5 A. Forsyninger i denne familie tilbyder op til 550 watt kontinuerlig effekt med udgange, der spænder fra 12 volt/42 A til 58 volt/9,5 A, med en industristandard på 3 × 5" og en lav profil på 1,5". (Figur 9).

Figur 9: VMS-550-48 med åben ramme leverer 48 volt ved 11,5 A og har et standard fodaftryk på 3 × 5". (Billedkilde: CUI Inc.)

Disse strømforsyninger omfatter effektfaktorkorrektion (PFC), som er et lovkrav på dette effektniveau, og har et standby-effekttab på mindre end 0,5 watt samt en effektivitet på op til 92 %. De fungerer i et temperaturområde fra -40 °C til 70 °C og har en separat 12 volt/0,5 A udgang til en lokal køleblæser. AC-tilslutning til denne klasse II-enhed sker via et hanstik på forsyningspladen ved hjælp af et to-leders kabel, der afsluttes med et tilsvarende hunstik.

Databladet indeholder termiske deratingkurver sammen med en nyttig mekanisk tegning, der viser et arrangement til en kølebundplade med monterings standoffs og skruer (Figur 10).

Figur 10: Mekanisk tegning, der viser dimensionerne og monterings arrangementet for en passende køleplade til VMS-550-48-strømforsyningen. (Billedkilde: CUI Inc.)

Eksempel 3: Lukkede enheder som f.eks. VMS-450B-serien omfatter VMS-450B-24-CNF, en 450 watt-strømforsyning, der leverer 24 volt ved 18,8 A fra indgange på 100 til 240 volt AC. Strømforsyningen måler 127 × 86,6 × 50 mm (ca. 5 × 3,4 × 2") og leveres med en metalskærm, som giver mulighed for luftstrøm samtidig med at EMI/RFI reduceres og giver en vis fysisk beskyttelse af både strømforsyningen og dens brugere (Figur 11).

Figur 11: VMS-450B-24-CNF AC/DC-strømforsyningsserien på 450 watt leverer 24 volt ved 18,8 A og leveres med et beskyttelseskabinet. (Billedkilde: CUI Inc.)

Forsyninger i denne serie kan levere fra 12 volt ved 37,5 A op til 56 volt ved 8 A. De omfatter også PFC og et 12 V, 600 mA drev til en ventilator samt en ekstra 5 V, 1 A ekstra DC-udgang, som eliminerer behovet for en separat lille forsyning i mange applikationer.

Konklusion

AC/DC-strømforsyninger til medicinske applikationer skal opfylde en lang række komplekse, strenge lovmæssige standarder og krav, der omfatter grundlæggende og yderligere sikkerhedskrav. Strømforsyninger, der opfylder alle relevante standarder, er tilgængelige i en lang række forskellige strømstyrker og er tilgængelige i forskellige former, herunder eksterne "desktop"-typer og "drop-in"-typer til indbygning i et slutprodukt. Ved at vælge en af disse standardenheder slipper systemdesignerne for alle de problemer, der er forbundet med design, certificering, endelig godkendelse og fremstilling af forsyninger.