Dobór i zastosowanie optymalnej przetwornicy prądu stałego w zastosowaniach medycznych

Zaprojektowanie zasilacza zasilanego z sieci prądu zmiennego lub baterii jest skomplikowane. Projektant musi opracować rozwiązanie, które zapewni stabilne napięcie i prąd przy zmiennych obciążeniach, a jednocześnie sprawność działania, aby zminimalizować rozpraszanie mocy. Jednak gdy zasilacz jest przeznaczony do produktu medycznego, projekt staje się bardziej skomplikowany ze względu na kompatybilność elektromagnetyczną (EMC), surowe wymagania bezpieczeństwa dotyczące kontaktu elektrycznego z pacjentem oraz ochronę przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI).

Spełnienie tych wymagań przez projektantów tworzących zasilacze medyczne od podstaw jest kosztowne i czasochłonne. Alternatywą są komercyjne modułowe przetwornice prądu stałego, jednak należy zachować ostrożność przy doborze i stosowaniu tych rozwiązań.

Artykuł omawia pokrótce rolę przetwornicy prądu stałego w obwodzie zasilania oraz przedstawia kryteria wyboru i szczególne wymagania związane z zastosowaniami medycznymi. Następnie przedstawia przykładowe urządzenia firmy XP Power oraz prezentuje model aplikacji.

Rola przetwornicy prądu stałego

Baterie mają określone napięcie nominalne, jednak ich wydajność zależy od takich czynników jak poziom naładowania, maksymalne obciążenie oraz temperatura. Kluczowym parametrem jest spadek napięcia wyjściowego w miarę rozładowania baterii. Jednak układy scalone oraz inne wrażliwe komponenty potrzebują stabilnego napięcia do prawidłowego działania. Przetwornica prądu stałego oferuje rozwiązanie poprzez regulację napięcia wejściowego w celu zapewnienia niezawodności i stałego wyjścia napięciowego (lub wyjść) do zasilania produktu końcowego.

Przetwornice prądu stałego są również powszechnie stosowane w produktach zasilanych z sieci. Wstępna przetwornica prądu zmiennego na stały reguluje i konwertuje napięcie z sieci prądu zmiennego na napięcie stałe z wykorzystaniem jednej lub większej liczby przetwornic prądu stałego. Dalsza regulacja doprowadza to napięcie do poziomu odpowiedniego dla produktu końcowego.

Topologie przetwornic prądu stałego mogą być liniowe lub przełączające. Regulatory liniowe są prostymi i odpornymi urządzeniami, ale ich sprawność spada wraz ze wzrostem różnicy pomiędzy napięciem wejściowym i wyjściowym. Ponadto regulatory liniowe mogą jedynie obniżać napięcie (buck) i nie mogą go podwyższać (boost) ani odwracać. Brak możliwości podwyższania napięcia nie pozwala wykorzystać potencjału tkwiącego w bateriach.

Regulatory przełączające wykorzystują element przełączający z modulacją szerokości impulsu (PWM) i zazwyczaj składają się z jednego lub dwóch tranzystorów MOSFET, którym towarzyszy jedna lub dwie cewki indukcyjne i kondensatory magazynujące energię i filtrujące. Projektanci wybierają regulatory przełączające głównie ze względu na wysoką sprawność i dużą gęstość mocy. Ponadto wspomniane regulatory mogą zwiększać, obniżać oraz odwracać napięcia.

Wyzwania dla projektantów korzystających z regulatorów przełączających obejmują złożoność projektu, koszty i potencjalne zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) spowodowane elementami przełączającymi. Możliwe jest zaprojektowanie regulatora przełączającego prądu stałego od podstaw. Takie podejście pozwala zaoszczędzić nieco kosztów i miejsca, ale jest złożone i czasochłonne. Alternatywą jest wybór z szerokiej gamy komercyjnych modułów, na przykład należących do serii JMR firmy XP Power, integrujących podstawowe elementy regulatora przełączającego w jednym urządzeniu, które jest kompaktowe, niezawodne i łatwe do zaprojektowania jako część większego produktu (ilustracja 1).

Ilustracja 1: urządzenia modułowe, na przykład należące do serii JMR, łączą podstawowe elementy regulatora przełączającego prądu stałego w jednym urządzeniu, które jest kompaktowe, niezawodne i łatwe do zaprojektowania jako część większego urządzenia. (źródło ilustracji: XP Power)

Dobór przetwornicy prądu stałego

Istnieje wiele czynników, które należy wziąć pod uwagę przy doborze przetwornicy prądu stałego. Niektóre z nich są oczywiste. Na przykład zastosowanie determinuje napięcia wejściowe i wyjściowe oraz prąd wejściowy i wyjściowy. Inne są bardziej złożone. Na przykład, maksymalizacja sprawności wymaga uwzględnienia profilu obciążenia charakterystycznego dla produktu końcowego. Projektant powinien również przeanalizować krzywe sprawności w arkuszu danych dla wstępnie wybranych przetwornic prądu stałego, aby upewnić się, że produkt końcowy generalnie działa w najlepszym punkcie sprawności konwertera.

Urządzenie JMR1024S05 firmy XP Power stanowi dobry przykład przetwornicy prądu stałego przeznaczonej do zastosowań medycznych. Przetwornica ta jest ultrakompaktowym urządzeniem medycznym montowanym na płytce drukowanej o wymiarach 20,3 x 31,8 x 10,2mm, posiadającym odprowadzenia 3mm do montażu przewlekanego. Charakteryzuje się ona napięciem wyjściowym 5V przy nominalnym napięciu wejściowym 24V (min. 9V, maks. 36V). Moduł charakteryzuje się maksymalnym prądem wyjściowym wynoszącym 2A i prądem wejściowym przy pełnym obciążeniu wynoszącym 491mA. Napięcie międzyszczytowe (pk-pk) tętnień wyjściowych wynosi 75mV, a sprawność osiąga 84,9%.

Moduł charakteryzuje się niskim poborem mocy w stanie jałowym na poziomie 6mA, co zwiększa sprawność i obniża moc rozpraszaną. Dalsze oszczędności poboru mocy w stanie jałowym na poziomie 3mA można uzyskać poprzez zdalne zablokowanie modułu (ilustracja 2). Moduł jest włączony, jeśli wtyk 1 jest obwodem otwartym, a wyłączony, jeśli wtyk 1 jest połączony ze źródłem prądowym o natężeniu od 2mA do 4mA lub jeśli do wtyku 1 jest przyłożone napięcie od 2,2V do 12V względem wtyku 2.

Ilustracja 2: pobór mocy modułu JMR1024S05 w stanie jałowym można zmniejszyć do 3mA poprzez zdalne zablokowanie modułu. (Źródło ilustracji: XP Power)

Firma XP Power oferuje produkty alternatywne w grupie o mocy 10W. Na przykład urządzenie JMR1048S12 działa przy nominalnym napięciu wejściowym 48V (od 18V do 75V) i zapewnia napięcie wyjściowe 12V przy maksymalnym prądzie wyjściowym 833mA. Prąd wejściowy przy pełnym obciążeniu wynosi 237mA, a podczas pracy w takich warunkach sprawność wynosi 88%.

Urządzenie JMR1012D15 działa przy nominalnym napięciu wejściowym 12V (od 4,5V do 18V) i zapewnia napięcie wyjściowe 15V przy maksymalnym prądzie wyjściowym 333mA. Prąd wejściowy przy pełnym obciążeniu wynosi 957mA, a podczas pracy w takich warunkach sprawność wynosi 87%.

Częstotliwość przełączania dla serii JMR 10W wynosi 300kHz.

Szczególne wymagania dotyczące zastosowań medycznych

Produkty medyczne stawiają przetwornicom prądu stałego wyższe wymagania, ponieważ komponenty elektryczne użytkowane w produktach końcowych podlegają rygorystycznej normie bezpieczeństwa medycznego IEC 60601-1.

Zgodnie z normą IEC 60601-1 „część wchodząca w kontakt z ciałem” jest definiowana jako element wyrobu medycznego, który wchodzi w bezpośredni kontakt z pacjentem lub posiada części, które mogą wejść w kontakt z ciałem pacjenta podczas normalnego użytkowania produktu. Norma definiuje części wchodzące w kontakt z ciałem w zależności od rodzaju styku z pacjentem i charakteru wyrobu medycznego.

Klasyfikacja typu B jest przyznawana częściom wchodzącym w kontakt z ciałem, które generalnie nie przewodzą prądu i mogą być połączone z uziemieniem. Typ BF (nie posiadające ustalonego potencjału w kontakcie z ciałem) jest nadawany zastosowanym częściom, które są elektrycznie połączone z pacjentem i muszą mieć nieustalony potencjał i być odizolowane od uziemienia. Typ BF nie obejmuje części wchodzących w kontakt z ciałem, które mają bezpośredni kontakt z sercem. Klasyfikacja typu CF (bez ustalonego potencjału, w kontakcie z sercem) dotyczy części wchodzących w kontakt z ciałem, przeznaczonych do bezpośredniego połączenia z sercem. Części typu CF, wchodzące w kontakt z ciałem muszą mieć nieustalony potencjał i być odizolowane od uziemienia.

Urządzenia medyczne podłączone do pacjenta muszą zapewniać środki ochrony (MOP), aby zapobiec przekroczeniu granicznych napięć, prądów lub energii przez części wchodzące w kontakt z ciałem (i inne dostępne części). Zgodne z wymogami połączenie uziomowe zapewnia 1 środek ochrony (1 x MOP), podstawowa izolacja również zapewnia 1 środek ochrony, a wzmocniona izolacja zapewnia 2 środki ochrony (2 x MOP).

Środki ochrony (MOP) można podzielić na środki ochrony operatora (MOOP) i środki ochrony pacjenta (MOPP). W urządzeniach przeznaczonych do podłączania do pacjenta wymagane są 2 środki ochrony pacjenta (2 x MOPP).

Zasilacze dla urządzeń medycznych z klasyfikacją typu BF i CF muszą zapewniać 2 środki ochrony pacjenta (2 x MOPP) pomiędzy obwodem pierwotnym i wtórnym oraz 1 środek ochrony pacjenta pomiędzy obwodem pierwotnym i uziemieniem. Dodatkowa izolacja ochronna pomiędzy dowolnym wtórnym wyjściem zasilacza i uziemieniem musi również znamionowo posiadać 1 środek ochrony pacjenta (1 x MOPP) dla najwyższego znamionowego napięcia wyjściowego linii prądu zmiennego. Tabela 1 przedstawia przerwę powietrzną, drogę upływu i napięcia probiercze dla izolacji podstawowej (1 x MOP) i wzmocnionej (2 x MOP) w zastosowaniach MOOP i MOPP.

Tabela 1: przerwa powietrzna, droga upływu i napięcia probiercze dla izolacji podstawowej (1 x MOP) i wzmocnionej (2 x MOP) w zastosowaniach MOOP i MOPP. (Źródło tabeli: XP Power)

Oprócz środków ochrony operatora (MOOP) i środków ochrony pacjenta (MOPP), zasilacz urządzenia medycznego musi być zaprojektowany tak, aby ograniczać prąd dotykowy, prąd pomocniczy pacjenta i prąd upływu pacjenta. Maksymalne dopuszczalne wartości prądu dotykowego wynoszą 100μA w normalnych warunkach i 500μA w stanie pojedynczej usterki (SFC). Wymóg ten w praktyce ogranicza prąd upływu uziemienia systemu do 500μA podczas normalnej pracy.

Wymagania dotyczące prądu dotykowego, prądu pomocniczego pacjenta i prądu upływu pacjenta stanowią wyzwanie dla projektantów. Muszą oni zagwarantować, by zasilacz zapewniał wymaganą izolację bezpieczeństwa przy jednoczesnej minimalizacji prądów upływu w normalnych warunkach pracy, a także ochronę w warunkach usterki poprzez odizolowanie pacjenta od uziemienia.

Urządzenie medyczne musi również spełniać wymogi kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) określone w normie IEC 60601-1-2. Wymagania te zostały opracowane w celu zwiększenia odporności sprzętu na liczne urządzenia komunikacji bezprzewodowej funkcjonujące w otoczeniu urządzeń kluczowych dla życia. Drugorzędnym celem wymagań jest zapewnienie wytycznych dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) dla sprzętu używanego poza szpitalem, gdy kontrola nad środowiskiem EMC jest zwykle słabsza.

Wybór przetwornicy prądu stałego jako drugiego stopnia izolacji

Wyzwania projektowe związane ze specjalnymi wymaganiami medycznymi można złagodzić poprzez staranny dobór przetwornicy prądu stałego, umożliwiającej wprowadzenie drugiego stopnia izolacji. Dodanie tego stopnia zapewnia podstawową izolację przy napięciu linii prądu zmiennego. Dodatkowo ogranicza pojemność między wejściem i wyjściem (do około 20–50pF), co z kolei obniża potencjalny prąd upływu pacjenta do zaledwie kilku mikroamperów (ilustracja 3).

Ilustracja 3: zatwierdzona przetwornica prądu stałego (po prawej) może być używana do regulacji napięcia stałego dostarczanego do części wchodzącej w kontakt z pacjentem, zapewniając jednocześnie izolację wtórną dla 1 środka ochrony pacjenta (1 x MOPP) i minimalizując potencjalny prąd upływu pacjenta. (Źródło ilustracji: XP Power)

Przykładowo, opisane powyżej przetwornice prądu zmiennego na stały 10W z serii JMR firmy XP Power posiadają oficjalną aprobatę bezpieczeństwa medycznego IEC60601-1, wzmocnione środki ochrony pacjenta (2 x MOPP) 5kV~, pojemność izolacji 17pF i prąd upływu pacjenta 2μA, umożliwiając łatwą integrację z szerokim zakresem zastosowań medycznych typu BF i CF.

Filtracja zapewniająca kompatybilność elektromagnetyczną (EMC), niezbędna do spełnienia wymagań normy IEC 60601-1-2, może zostać dodana do obwodu pomiędzy systemem urządzenia medycznego a kontrolerami oraz przetwornicą prądu stałego, bez pogorszenia parametrów izolacji ani niskich prądów upływu. Ilustracja 4 przedstawia zalecane obwody filtrów zapewniających kompatybilność elektromagnetyczną (EMC) dla udarów i szybkich elektrycznych stanów przejściowych (EFT) oraz zakłóceń elektromagnetycznych klasy B.

Ilustracja 4: zalecane obwody filtrów zapewniających kompatybilność elektromagnetyczną (EMC) chroniące przed udarami i szybkimi elektrycznymi stanami przejściowymi (EFT) oraz zakłóceniami elektromagnetycznymi klasy B do stosowania w przetwornicach prądu stałego z serii JMR10. (Źródło ilustracji: XP Power)

Tabela 2 przedstawia sugerowane wartości komponentów dla omawianych układów przy zastosowaniu urządzeń z serii JMR10 z napięciami wejściowymi wynoszącymi 12V, 24V oraz 48V.

Tabela 2: zalecane wartości komponentów dla układów przedstawionych na ilustracji 4. (Źródło tabeli: XP Power)

Podsumowanie

Modułowe i wysoce zintegrowane przetwornice prądu stałego ułatwiają projektowanie niezawodnych, wydajnych zasilaczy dla systemów medycznych. Projektanci muszą jednak starannie dobrać urządzenie posiadające certyfikat IEC 60601-1, aby zagwarantować zgodność z wymaganiami normy dotyczącymi bezpieczeństwa operatora i pacjenta oraz kompatybilności elektromagnetycznej (EMC).