Статья

Использование GaN-устройств для уменьшения размеров внешних медицинских источников питания переменного/постоянного тока

Медицинские системы - одна из многих областей применения, где полностью отказаться от использования батарей невозможно, нецелесообразно или неприемлемо. Вместо этого оборудование часто должно работать непосредственно от сети переменного тока или, по крайней мере, иметь возможность полагаться на розетку переменного тока при разряде батарей.

Помимо соответствия основным техническим характеристикам источников питания переменного/постоянного тока, медицинские источники питания должны соответствовать нормативным требованиям по таким менее очевидным параметрам, как гальваническая развязка, номинальное напряжение, ток утечки и средства защиты (MOP). Эти стандарты разработаны для того, чтобы гарантировать, что питаемое устройство не подвергает опасности оператора или пациента даже в случае сбоев в работе источника питания или нагрузки. В то же время разработчики медицинских источников питания должны продолжать повышать эффективность и уменьшать размеры и вес.

В этой статье рассматривается использование внешних источников питания переменного/постоянного тока в медицинских приборах и приводятся соответствующие нормативные стандарты. Затем в ней представлены продукты компании XP Power, которые разработчики могут использовать для соответствия этим стандартам, используя при этом преимущества силовых устройств на основе нитрида галлия (GaN) для уменьшения физических размеров источника питания почти наполовину.

Основные требования к конструкции источника питания

Выбор источника питания переменного/постоянного тока начинается со стандартных параметров работы источника питания. Источник должен обеспечивать номинальное напряжение постоянного тока и выдавать номинальный ток при этом напряжении для поддержки нагрузки. Универсальный источник питания должен поддерживать широкий диапазон входных напряжений переменного тока (обычно от 85 до 264 В переменного тока) при частоте от 47 до 63 Герц (Гц).

Номинальные значения входного и выходного напряжения и тока являются критическими, но недостаточными для полного определения источника питания. Другие соображения включают:

• - Динамические характеристики, такие как задержка при запуске, время нарастания при запуске, время удержания, регулирование сети и нагрузки, переходные характеристики, пульсации и шумы, а также перегрузка
• - Защита от перегрузок, коротких замыканий и перегрева.
• - Требования к эффективности, которые зависят от максимальной номинальной мощности источника питания и должны иметь определенные значения на кривой нагрузки, включая точки полной нагрузки, низкой нагрузки и холостого хода
• - Коэффициент мощности (PF), близкий к единице, где конкретное значение PF зависит от уровня мощности и регулирующего стандарта.
• - Электромагнитная совместимость (ЭМС), которая характеризует максимальные электромагнитные (ЭМИ)/радиочастотные (РЧИ) помехи источника питания, а также его восприимчивость к электростатическому разряду (ЭСР), излучаемой энергии, импульсным помехам, скачкам напряжения в сети и магнитным полям.
• - Безопасность, определяющая основные требования по защите пользователя и оборудования, включая напряжение изоляции между входом и выходом, входом и землей, а также выходом и землей

Требования к источникам питания для медицинских учреждений

Дополнительные стандарты и нормативные требования еще больше усложняют ситуацию при выборе источника питания для медицинского применения. В первую очередь они касаются безопасности пациентов и операторов, гарантируя, что источник питания не подвергнет опасности ни одного из них в случае однократного или даже двукратного сбоя.

Большая часть опасений связана с блуждающими токами или токами утечки. Стандартное сетевое напряжение (110/230 вольт; 50 или 60 Гц) через грудную клетку, даже на долю секунды, может вызвать фибрилляцию желудочков при токе до 30 миллиампер (мА). Если ток имеет прямой путь к сердцу, например через сердечный катетер или другой электрод, гораздо меньший ток - менее 1 мА (переменный или постоянный) - может вызвать фибрилляцию.

Вот некоторые стандартные пороговые значения, которые часто приводятся для тока, проходящего через тело при контакте кожи с поверхностью, а для внутреннего контакта опасные значения гораздо ниже:

• - 1 мА: едва ощутимо
• - 16 мА: максимальный ток, который человек среднего роста может ухватить и "отпустить"
• - 20 мА: паралич дыхательных мышц
• - 100 мА: порог фибрилляции желудочков
• - 2 А: остановка сердца и повреждение внутренних органов

Уровень риска также зависит от пути прохождения тока через две точки контакта с телом, например через грудь или руку, или от руки вниз к ногам. Вот почему минимизация токов утечки, проходящих через диэлектрическую изоляцию разделительного трансформатора переменного тока, имеет решающее значение.

Может показаться, что при надлежащем качестве изоляции величина тока утечки будет незначительной. Однако, хотя эта утечка может быть током, который физически "просачивается" через изоляцию из-за ее неидеальности, она также может быть результатом емкостной связи между токами, которые могут пересечь даже исключительную изоляцию.

Упрощенная модель идеального трансформатора демонстрирует идеальную гальваническую (омическую) изоляцию между первичной и вторичной обмотками (рис. 1).

Рисунок 1: Базовая модель трансформатора показывает отсутствие пути тока от первичной обмотки к вторичной.

В идеальном трансформаторе ток не может протекать напрямую от сети переменного тока к питаемому изделию, образуя полную петлю тока обратно в сеть переменного тока, даже если неисправность компонента или проводки приведет к появлению нового пути тока на вторичной обмотке. Однако ни один трансформатор не является идеальным, и между первичной и вторичной обмотками возникает межвитковая емкость (рис. 2).

Рисунок 2: Более реалистичная модель показывает основную межвитковую емкость (Cps1) между первичной и вторичной обмотками.

Более сложная модель добавляет дополнительные источники межвитковой емкости (рис. 3).

Рисунок 3: Кроме первой межвитковой емкости (Cps1) существуют и другие емкости трансформатора.

Эта нежелательная емкость позволяет протекать току утечки, и ее значение зависит от многих переменных, таких как размер провода, схема намотки и геометрия трансформатора. Ее значение может варьироваться от одного пикофарада (пФ) до нескольких микрофарад (мкФ). Помимо емкостной утечки трансформатора, другими источниками непреднамеренной емкости являются зазоры на печатных платах (pc boards), изоляция между полупроводниками и заземленным радиатором, а также паразитные связи между другими компонентами.

Ток утечки трансформатора из-за емкости - не единственная проблема, которую затрагивают правила использования медицинских источников питания. Базовая безопасность и изоляция переменного тока являются приоритетными. В зависимости от напряжения и уровня мощности источникам питания может потребоваться второй, независимый изоляционный барьер в дополнение к основному барьеру (или физически усиленная изоляция). Характеристики изоляции также ухудшаются со временем под воздействием перепадов температур, стресса из-за высокого напряжения и скачков напряжения, хотя она все еще может соответствовать своему номиналу.

Первый слой изоляции обычно называют "основной изоляцией". Примером может служить изоляция проводов. Второй слой часто представляет собой изолированный корпус, как во многих настенных и настольных блоках питания.

Стандарты и средства защиты (MoP)

Основным стандартом, регулирующим безопасность медицинской электроники, является IEC 60601-1. В последнем (4-м) издании расширена направленность на пациента, и теперь требуется общее средство защиты (MOP), которое объединяет одно или несколько "средств защиты оператора" (MOOP) и "средств защиты пациента" (MOPP).

Нормативные стандарты также определили классы защиты по способу обеспечения MOOP. Они обозначаются как Класс I и Класс II и регулируют конструкцию и изоляцию источников питания. Изделие класса I имеет проводящее шасси, соединенное с безопасным заземлением. Чтобы упростить совместимость с местными вилками, источник питания оснащен розеткой IEC320-C14 для поставляемого пользователем шнура питания с проводником безопасного заземления (рис. 4, слева).

В отличие от этого, источники питания класса II имеют двухжильный шнур питания с защитным заземлением (Рисунок 4, справа). Из-за отсутствия заземленного шасси между пользователем и внутренними токоведущими проводниками находятся два слоя изоляции (или один слой усиленной изоляции).

Рисунок 4: Устройства класса I (слева) и класса II (справа) имеют заземленное трехпроводное или незаземленное двухпроводное подключение к сети переменного тока, часто используются со стандартными розетками IEC и сетевыми шнурами, поставляемыми пользователем.

В результате любой источник питания переменного/постоянного тока, предназначенный для медицинских применений и сертифицированный как класс I или класс II, должен быть специально разработан и испытан на соответствие соответствующим стандартам. К счастью, поставщики источников питания, такие как XP Power, понимают технические, производственные и сертификационные вопросы, необходимые для поставки источников питания, отвечающих этим стандартам.

Размер также имеет значение

Технические требования и нормативные предписания, предъявляемые к медицинским источникам питания переменного/постоянного тока, не касаются физических размеров, однако размер имеет значение. Большие источники питания усложняют организацию работы на месте, где пространство ограничено, например в машине скорой помощи или в клинических условиях, где ограничено пространство для передвижной тележки и стола.

Уменьшение размеров источника питания AC/DC было бы полезно в таких ситуациях, но это непростая задача. Минимальные размеры блока питания ограничены необходимостью соблюдения нормативных требований по изоляции, ползучести и зазорам.

Еще одной проблемой при уменьшении размеров блока питания является теплоотвод. Если объем блока питания и площадь его поверхности недостаточны, его внутренняя температура будет выше, чем у более крупного блока питания, что приведет к повреждению внутренних активных, пассивных и изолирующих компонентов. Принудительное воздушное охлаждение неприемлемо из-за возможного блокирования воздушного потока, долгосрочных проблем с надежностью и дополнительного шума.

Кроме того, выделяемое тепло может привести к повышению температуры поверхности корпуса блока питания сверх допустимой, что подвергает опасности пациентов и операторов. Ключом к уменьшению объема питания является использование соответствующих коммутационных компонентов для минимизации выделяемого тепла.

Именно здесь коммутационные устройства на основе GaN имеют явные преимущества перед кремниевыми (Si). Их меньшее последовательное сопротивление, более быстрое время переключения и меньший заряд обратного восстановления снижают потери, что приводит к созданию более эффективного, холодного и компактного импульсного источника питания.

Примером может служить блок питания AQM200PS19 компании XP-Power, входящий в серию AQM. Блок питания рассчитан на работу в режиме класса I 19 вольт/10,6 ампера (A). Размеры блока составляют примерно 167 × 54 × 33 миллиметра (мм), что вдвое меньше, чем у традиционных блоков питания с такими номиналами, а вес - всего 600 граммов (г) (рис. 5).

Рисунок 5: AQM200PS19 - 200-ваттное устройство класса I, обеспечивающее напряжение 19 вольт при токе до 10,6 А с эффективностью 92%. 

Этот внешний источник питания полностью соответствует международным медицинским стандартам. Электрические параметры включают ток утечки для пациента менее 100 микроампер (мкА), типичный КПД 92 %, потребляемую мощность в режиме ожидания менее 0,15 Вт и PF > 0,9.

Источник питания доступен в версиях класса I и класса II и рассчитан на работу при температуре от 0° до 60°C. Он имеет полностью герметичный корпус, соответствующий классу защиты IP22, а его гладкая поверхность облегчает чистку в медицинских учреждениях.

Для более мощных систем XP Power предлагает AQM300PS48-C2 - 300-ваттный блок класса II с выходным напряжением 48 В/6,25 А и энергопотреблением в режиме ожидания менее 0,5 Вт. Несмотря на небольшие размеры, этот блок питания остается компактным - всего 183 × 85 × 35 мм и весит 1 050 г.

В номинале 250 Вт XP Power предлагает AQM250PS24, блок питания класса 1 на 24 В/10,4 А с потреблением в режиме ожидания менее 0,15 Вт. Его размеры составляют 172 × 67,1 × 32 мм.

Заключение

Внешние автономные источники питания переменного/постоянного тока для медицинского оборудования должны отвечать жестким нормативным, эксплуатационным, техническим требованиям, требованиям безопасности и эффективности. Серия AQMвнешних источников питания медицинского назначения от XP Power превосходит эти требования, используя GaN-приборы, в результате чего габаритный корпус вдвое меньше классического блока Si.