Brug GaN-enheder til at gøre eksterne medicinske AC/DC-strømforsyninger mindre

På trods af fremskridt inden for batteriteknologi og strømbesparende kredsløb er medicinske systemer en af mange anvendelser, hvor det ikke er muligt, praktisk eller acceptabelt at lave helt uafhængige designs, der kun bruger batterier. I stedet skal udstyret ofte fungere direkte fra en vekselstrømslinje eller i det mindste være i stand til at stole på en stikontakt for drift, når batteriniveauerne er lave.

Ud over at opfylde de grundlæggende specifikationer for AC/DC-strømforsyningens ydeevne skal medicinske strømforsyninger overholde lovkrav om mindre åbenlyse ydeevnehensyn såsom galvanisk isolation, spændingsværdier, lækstrøm og beskyttelsesmidler (MOP). Disse standarder er indført for at sikre, at den eldrevne enhed ikke udsætter operatøren eller patienten for fare, selv hvis der opstår fejl i forsyningen eller belastningen. Samtidig skal designere af medicinske strømforsyninger fortsætte med at forbedre effektiviteten og reducere størrelse og vægt.

Denne artikel diskuterer brugen af eksterne AC/DC-forsyninger i medicinske instrumenter og gennemgår de tilhørende lovmæssige standarder. Derefter introduceres produkter fra XP Power, som designere kan bruge til at opfylde disse standarder, samtidig med at de udnytter galliumnitrid (GaN)-strømforsyninger til at reducere strømforsyningens fysiske størrelse med næsten halvdelen.

Grundlæggende krav til design af strømforsyninger

Valg af AC/DC-forsyning begynder med standardmålinger af strømforsyningens ydeevne. Forsyningen skal levere den nominelle DC-spænding og være i stand til at levere den nominelle strøm ved denne spænding for at understøtte belastningen. En universalforsyning skal kunne håndtere en bred vifte af AC-indgangsspændinger (typisk 85 volt AC (VAC) til 264 VAC) ved frekvenser fra 47 til 63 Hertz (Hz).

Disse indgangs- og udgangsspændinger og strømstyrker er kritiske, men ikke tilstrækkelige til fuldt ud at definere en strømforsyning. Andre overvejelser omfatter:

• Dynamiske egenskaber, såsom opstartsforsinkelse, opstartsstigningstid, hold-up-tid, linje- og belastningsregulering, transientkarakteristik, rippel og støj samt overskydning
• Beskyttelse mod overbelastning, kortslutning og overtemperatur
• Effektivitetsmandater, som er en funktion af forsyningens maksimale effekt og skal have specifikke værdier langs belastningskurven, herunder punkter for fuld belastning, lav belastning og ingen belastning.
• En effektfaktor (PF) tæt på enhed, hvor det specifikke PF-tal er en funktion af effektniveauet og den regulerende standard.
• Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), som karakteriserer forsyningens maksimale elektromagnetiske interferens (EMI)/radiofrekvensinterferens (RFI) samt dens følsomhed over for elektrostatisk afladning (ESD), udstrålet energi, energiudbrud, overspænding og magnetfelter.
• Sikkerhed, som definerer grundlæggende krav til beskyttelse af brugeren og udstyret, herunder isolationsspænding mellem input og output, input til jord og output til jord.

Krav til medicinske strømforsyninger

Yderligere standarder og lovkrav komplicerer tingene yderligere, når man skal evaluere en strømforsyning til medicinske anvendelser. Det drejer sig primært om patient- og operatørsikkerhed, hvor det sikres, at strømforsyningen ikke udsætter nogen for fare i tilfælde af en enkelt eller endda en dobbelt fejl.

En stor del af bekymringen relaterer sig til lækstrømme. En standard netspænding (110/230 volt; 50 eller 60 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 elektrode, kan en meget lavere strømstyrke på under 1 mA (AC eller DC) forårsage flimmer.

Dette er nogle standardtærskler, der ofte nævnes for strøm gennem kroppen via kontakt med hudoverfladen, og faretallene er meget lavere for intern kontakt:

• 1 mA: næsten ikke mærkbar
• 16 mA: maksimal strøm, som en person i gennemsnitsstørrelse kan tage fat i og "slippe"
• 20 mA: lammelse af åndedrætsmusklerne
• 100 mA: tærskelværdi for hjerteflimmer
• 2 A: hjertestop og skader på indre organer

Risikoniveauerne er også en funktion af strømmens vej gennem to kontaktpunkter med kroppen, f.eks. over eller gennem brystet eller fra en arm ned til fødderne. Derfor er det vigtigt at minimere lækstrømme, der passerer gennem den dielektriske isolering i en AC-isolationstransformer.

Det kan se ud til, at mængden af lækstrøm er ubetydelig med tilstrækkelig god isolering. Men selvom denne lækage kan være en strøm, der fysisk "lækker" igennem på grund af isoleringens ikke-perfekte natur, kan den også skyldes kapacitivt koblede strømme, der kan krydse selv enestående isolering.

En forenklet model af en ideel transformator der udviser perfekt galvanisk (ohmsk) isolation mellem dens primær- og sekundærside (figur 1).

Figur 1: En grundlæggende model af en transformer viser, at der ikke er nogen strømvej fra den primære side til den sekundære side. (Billedkilde: Power Sources Manufacturers Association)

Med en ideel transformer kan der ikke flyde strøm direkte fra vekselstrømsnettet til det strømforsynede produkt for at danne en komplet strømsløjfe tilbage til vekselstrømsnettet, selv hvis en komponent- eller ledningsfejl giver en ny strømvej på sekundærsiden. Men ingen transformator er perfekt, og der forventes primær-sekundær kapacitans mellem viklingerne (figur 2).

Figur 2: En mere realistisk model viser den grundlæggende kapacitans mellem viklingerne (C_ps1) på primær- og sekundærsiden. (Billedkilde: Power Sources Manufacturers Association)

En mere sofistikeret model tilføjer yderligere kilder til kapacitans mellem viklingerne (figur 3).

Figur 3: Der er andre transformatorkapacitanser ud over den første mellem viklingerne (C_ps1). (Billedkilde: Power Sources Manufacturers Association)

Denne uønskede kapacitans tillader lækstrøm, og dens værdi er en funktion af mange variabler, såsom ledningsstørrelse, viklingsmønster og transformergeometri. Værdien kan variere fra så lidt som en pF til et par µF. Ud over transformatorens kapacitive lækage er andre kilder til utilsigtede kapacitanser mellemrum på printkort, isolering mellem halvledere og jordet kølelegeme og parasitstrømme mellem andre komponenter.

Transformerens lækstrøm på grund af kapacitans er ikke det eneste problem, som reglerne for medicinske strømforsyninger tager højde for. Grundlæggende vekselstrømssikkerhed og isolering er en prioritet. Afhængigt af spændings- og effektniveauer kan forsyninger også have brug for en anden, uafhængig isoleringsbarriere ud over den primære barriere (eller fysisk forstærket isolering). Isoleringsevnen forringes også over tid på grund af ekstreme temperaturer, stress på grund af højspænding og overspænding, selvom den stadig kan opfylde sin klassificering.

Det første lag isolering kaldes typisk "basisisolering". Et eksempel er ledningsisolering. Det andet lag er ofte et isoleret kabinet, som det ses ved mange vægmonterede og stationære strømforsyninger.

Standarder og beskyttelsesmidler (MoP - means of protection)

Den primære standard for medicinsk elektronik og sikkerhed er IEC 60601-1. Den seneste ( 4.) udgave udvider patientfokus ved at kræve et samlet beskyttelsesmiddel (MOP), der kombinerer et eller flere "midler til beskyttelse af operatøren" (MOOP - means of operator protection) og "midler til beskyttelse af patienten" (MOPP - means of patient protection).

Lovgivningsmæssige standarder har også skabt beskyttelsesklasser omkring, hvordan MOOP leveres. Disse benævnes klasse I og klasse II og regulerer konstruktion og isolering af strømforsyninger. Et klasse I-produkt har et ledende chassis, der er forbundet til en sikkerhedsjord. For at forenkle kompatibiliteten med lokale vægstik har forsyningen en IEC320-C14-stikdåse til en brugerleveret netledning med en sikkerhedsjordleder (figur 4, venstre).

Klasse II-strømforsyninger har derimod en to-leder netledning med en sikkerhedsjordforbindelse (figur 4, højre). Da der ikke er et jordet chassis, er der to lag isolering (eller et enkelt lag forstærket isolering) mellem brugeren og de interne strømførende ledere.

Figur 4: Klasse I- (venstre) og klasse II-enheder (højre) har jordede treleder- eller ujordede toleder-vekselstrømsforbindelser, der ofte bruges med standard IEC-stikdåser og brugerleverede netledninger. (Billedkilde: XP Power)

Resultatet er, at enhver AC/DC-forsyning, der er beregnet til medicinske anvendelser og certificeret som enten klasse I eller klasse II, skal være specielt designet og testet i henhold til de relevante standarder. Heldigvis forstår leverandører af strømforsyninger som XP Power de tekniske, produktionsmæssige og certificeringsmæssige problemer, der er nødvendige for at levere strømforsyninger, der lever op til disse standarder.

Størrelsen betyder også noget

De tekniske krav og lovkrav, der stilles til medicinske AC/DC-forsyninger, handler ikke om fysisk størrelse, men størrelsen er vigtig. Store forsyninger besværliggør drift på stedet, hvor der er begrænset plads, f.eks. i en ambulance eller i et klinisk miljø, hvor der er begrænset plads til mobile vogne og skriveborde.

At reducere størrelsen på AC/DC-forsyningen ville være en fordel i disse situationer, men det er en udfordring. Minimumsdimensioner for forsyninger er begrænset af behovet for at overholde lovmæssige retningslinjer for isolering, krybeafstand og frigang.

Et andet problem med at formindske forsyningen er varmeafledning. Hvis strømforsyningens volumen og pakkeoverflade er utilstrækkelig, vil dens indre temperatur være højere, end den ville være for en større strømforsyning, hvilket nedbryder interne aktive, passive og isolerende komponenter. Luftkøling er uacceptabelt på grund af potentielle blokeringer af luftstrømmen, problemer med pålideligheden på lang sigt og ekstra støj fra omgivelserne.

Desuden kan den genererede varme få overfladetemperaturen på forsyningskabinettet til at stige ud over det acceptable, hvilket udsætter patienter og operatører for fare. Nøglen til at gøre forsyningerne mindre er at bruge passende kredsløbskoblingskomponenter for at minimere den genererede varme.

Det er her, GaN-baserede koblingsenheder giver klare fordele i forhold til silicium (Si). Deres lavere seriemodstand, hurtigere koblingstider og lavere omvendt gendannelsesladning reducerer tab, hvilket resulterer i en mere effektiv, køligere og kompakt koblingsforsyning.

Et eksempel er XP-Powers AQM200PS19, et medlem af AQM-serien. Forsyningen er klassificeret til 19 volt/10,6 ampere (A) klasse I-drift. Enheden måler cirka 167 × 54 × 33 millimeter (mm), hvilket er halvt så meget som en traditionel strømforsyning med disse specifikationer, og vejer kun 600 gram (g) (figur 5).

Figur 5: AQM200PS19 er en 200 watt klasse I-enhed, der leverer 19 volt ved op til 10,6 A med en effektivitet på 92 %. (Billedkilde: XP Power)

Denne eksterne strømforsyning er fuldt godkendt i henhold til internationale medicinske standarder. De elektriske parametre omfatter en patientlækstrøm på mindre end 100 mikroampere (µA), en typisk effektivitet på 92 %, et standby-strømforbrug på mindre end 0,15 watt og en PF på >0,9.

Forsyningen fås i både klasse I- og klasse II-versioner og er klassificeret til drift fra 0° til 60 °C. Den har et fuldt forseglet kabinet, der overholder IP22-klassificeringen, og den glatte overflade gør det lettere at rengøre den i medicinske miljøer.

Til systemer med højere effekt har XP Power AQM300PS48-C2, en klasse II-enhed på 300 watt med en udgangseffekt på 48 volt/6,25 A og et standby-strømforbrug på under 0,5 watt. Selvom den er lidt større, er den stadig kompakt med sine 183 × 85 × 35 mm og en vægt på 1.050 g.

XP Power tilbyder AQM250PS24, en 24 volt/10,4 A klasse 1-strømforsyning med et standby-strømforbrug på under 0,15 watt i en 250 watt-klassificering. Den måler 172 × 67,1 × 32 mm.

Konklusion

Eksterne, selvstændige AC/DC-strømforsyninger til medicinsk udstyr skal opfylde strenge krav til regulering, drift, ydeevne, sikkerhed og effektivitet. AQM-serien af eksterne forsyninger med medicinsk klassificering fra XP Power overgår disse ved hjælp af GaN-enheder, hvilket resulterer i en samlet pakke, der er halvt så stor som en klassisk Si-enhed.