Port USB z izolacją galwaniczną dla systemów medycznych

Rys. 1. Schemat blokowy typowego urządzenia medycznego z zaznaczeniem miejsc gdzie wymagana jest izolacja galwaniczna

W zakresie bezpieczeństwa jakość izolacji musi spełniać szereg wymagań prawnych definiowanych przez normy UL, IEC, w zależności od rodzaju aplikacji. Na przykład IEC 60601 określa wymagania bezpieczeństwa dla sprzętu medycznego, a IEC 60950 definiuje podobne zależności w zakresie sprzętu informatycznego. W ramach tych standardów bezpieczeństwa definiuje się pewne terminy precyzujące jakość izolacji systemów elektroniki medycznej i jednocześnie określających poziom zapewnianej ochrony.

Przykładem może być "jakość izolacji", który odnosi się do wartości przepięć, które bariera galwaniczna jest w stanie wytrzymać. Standardowa wartość wynosi 2,5 kVrms przez 1 minutę, ale w wielu przypadkach podwyższa się wymagania do 5 kVrms. Innym terminem jest napięcie pracy, które określa napięcie, jakie izolacja galwaniczna może wytrzymać przez cały czas eksploatacji produktu. Typowa wartość to 400Vrms. Podwójna izolacja to termin odnoszący się do urządzeń, w których zaimplementowano dwa niezależne obwody separacji galwanicznej.

Jest to pojęcie najczęściej wymieniane w dokumentach UL, natomiast wzmocniona izolacja to termin zbliżony do poprzedniego, ale raczej wymieniany w dokumentach europejskich, jak na przykład IEC 60601-1. Wzmocniona izolacja jest często wymagana w sprzęcie medycznym. Przerwa izolacyjna (creepage) to najkrótszy dystans wzdłuż powierzchni elementu izolacyjnego mierzony od przewodnika na jednym końcu do drugiego końca. Natomiast odstęp izolacyjny (clearance) to najkrótszy dystans pomiędzy dwoma elementami przewodzącymi w powietrzu. W urządzeniach medycznych ta przerwa wynosi zwykle minimum 8mm.

Problemy z izolacją

Wymagana jakość izolacji jest uzależniona do tego, w jaki sposób jest zbudowany system elektroniczny i jak został podzielony na bloki funkcjonalne. Na rysunku 1 pokazano schemat blokowy typowego urządzenia medycznego wraz z wieloma interfejsami, w których zwykle wymagane jest zapewnienie izolacji galwanicznej. Pacjent musi być separowany od głównego systemu, tak więc izolacja musi zostać zapewniona dla punktów B, C i D.

W wielu przypadkach miejsca D nie daje się izolować, gdyż czujnik lub inne podobne urządzenie musi być dołączone bezpośrednio do pacjenta. W innych przypadkach, na przykład aparatach USG izolacja w tym miejscu zapewniana jest za pośrednictwem plastikowej obudowy głowicy. W punkcie C sygnały mają charakter analogowy, co sprawia trudność w zapewnieniu niedrogiej izolacji dającej jednocześnie dobrą dokładność. Dlatego w urządzeniach medycznych częściej izoluje się punkt B.

Oznacza to brak zabezpieczenia dla operatora oraz sprzętu peryferyjnego, ale możliwość dodania jej w interfejsach komunikacyjnych. Standardy bezpieczeństwa w przypadku systemów medycznych definiują dwa typy izolacji: pacjenta MOPP (Means of Patient Protection) zgodną z IEC 60601 i mniej restrykcyjną izolację operatora MOOP (Means of Operator Protection) zgodną z IEC 60950.

W podanym wyżej przykładzie urządzenie może zostać podzielone na bloki funkcjonalne i wówczas interfejs B wymaga izolacji certyfikowanej na zgodność z IEC 60601, natomiast bloki A, E, F, i G wymagają jedynie zgodności z IEC 60950. Oczywiście daje się wyróżnić sprzęt, który wymaga izolacji o jakości zgodnej z większym standardem IEC 60601 we wszystkich blokach. To samo dotyczy sprzętu elektronicznego, który ma kontakt z ciałem pacjenta podczas pracy defibrylatora.

Izolowanie USB

Rys. 2. Sposoby izolowania interfejsu USB

Jak wiadomo, interfejs USB ma w stosunku do poprzednio wykorzystywanego na szeroką skalę RS-232 wiele zalet. Zapewnia automatyczną konfigurację urządzenia plug-and-play, ma dużą szybkość transmisji do 480 Mbitów/s i jest powszechnie akceptowany w elektronice konsumenckiej i przemysłowej. Z uwagi na te zalety port USB pojawia się też coraz liczniej w sprzęcie medycznym. Tempo adaptacji tego rozwiązania nie jest jednak tak szybkie, jak w sprzęcie powszechnego użytku, a różnica wynika właśnie z konieczności zapewnienia izolacji sygnałów elektrycznych.

Pomimo wielu bezsprzecznych zalet i przewagi nad innymi rozwiązaniami, separacja sygnałów dla USB napotyka wiele trudności. W USB trudno zaimplementować separację galwaniczną, gdyż transmisja danych bazuje na komunikacji różnicowej w dwu kierunkach. Dodatkowo konfigurowanie określające szybkość pracy łącza realizowane jest za pomocą rezystorów podciągających. Poprzez barierę galwaniczną trzeba przenieść nie tylko informacje o sygnałach i konfiguracji, ale też o kierunku transmisji danych.

Ponieważ sterowanie przepływem danych wynika ze struktury danych i nie jest precyzowane za pomocą sygnału sterującego, zapewnienie izolacji może okazać się niełatwe. USB wykorzystuje 4 linie: VDD i VSS, które stanowią zasilanie 5V oraz D+ i D- będące różnicowymi liniami komunikacyjnymi. Niemniej D+ i D- wykorzystywane są też do transmisji sygnałów niesymetrycznych oraz poprzez dołączane rezystory pomiędzy nie i linie zasilania ustala się szybkość transmisji i wykrywa aktywny stan odbiornika.

Szybkość transmisji może zostać wybrana spośród trzech dostępnych trybów: 1,5 Mbitów/s (Low Speed), 12 Mbitów/s (Full Speed) i 480 Mbitów/s (High Speed). Wersja USB 2.0 obsługuje wszystkie trzy szybkości, natomiast starszy USB 1.1 tylko dwie wolniejsze. Warto zauważyć, że wynika z tego, że sprzęt może być zgodny z USB 2.0 a jednocześnie nie obsługiwać transmisji z największą szybkością 480 Mbitów/s. Do separacji sygnału wykorzystuje się zazwyczaj optoizolatory, które z natury są jednokierunkowe.

Dlatego układ transmisji sygnału musi rozdzielić dwukierunkowy strumień danych na osobne sygnały jednokierunkowe, tak jak pokazane to zostało na rysunku 2. Linie D+ i D- mikrokontrolera zostały przekonwertowane na niesymetryczne sygnały jednokierunkowe. Są one następnie izolowane i ponownie zamieniane do standardu USB przez specjalizowany sterownik. W ten sposób proste rozwiązanie interfejsu USB z dwoma liniami danych bardzo się komplikuje, gdyż oprócz rozbudowy układu elektronicznego zwykle wymagane jest dodanie oprogramowania.

ADuM4160 - izolacja USB w jednym układzie

Rys. 3. Sposób transmisji danych przez barierę galwaniczną z układami iCoupler

Prostszym i tańszym rozwiązaniem jest wykorzystanie specjalizowanego układu separatora USB, który włącza się bezpośrednio pomiędzy linie D+ i D-. ADuM4160 zapewnia wzmocnioną izolację wytrzymującą 5kVrms i pozwala na pracę z niską i pełną prędkością USB. Schemat funkcjonalny ADuM4160 pokazano na rysunku 3. Układ bazuje na technologii iCoupler firmy Analog Devices, która do separacji galwanicznej wykorzystuje transformatory planarne, a rozdzielenie zacisków wejściowych i wyjściowych zapewnia 20μm warstwa tworzywa wstrzymująca napięcie do 6 KVrms.

Dane są przesyłane z jednej cewki do drugiej. Na rysunku pokazano jak zbocza sygnału cyfrowego są kodowane w postaci podwójnych lub pojedynczych impulsów 1-nanosekundowych. Są one wewnętrznie dekodowane po stronie odbiornika i na tej podstawie układ odtwarza oryginalny sygnał cyfrowy. Izolacja za pomocą transformatora planarnego wykorzystana w technologii i- Coupler charakteryzuje się wieloma zaletami w porównaniu do optoizolatorów.

Najważniejsza jest możliwość transmisji przez barierę galwaniczną w obu kierunkach, czyli innymi słowy symetria łącza komunikacyjnego. Transformatory są też znacznie szybsze w porównaniu do pary LED-fototranzystor wykorzystywanej w optoizolatorach, co pozwala na izolowanie sygnałów o znacznie większej szybkości transmisji i z mniejszym opóźnieniem propagacyjnym. Nie bez znaczenia jest to, że układy iCoupler pobierają mniejszą moc i to, że jest to rozwiązanie zintegrowane, charakteryzujące się niewielką ilością zajmowanego miejsca na płytce, nawet o 75% mniej w porównaniu do układu bazującego na optoizolatorach i elementach dyskretnych.

Korzyści z izolowanego interfejsu USB

Prosty i funkcjonalny izolator, który dodatkowo jest łatwy w implementacji, to z pewnością dobry wybór dla sprzętu medycznego, który powinien umożliwić szybszą adaptację tego standardu. Jest to również sposób na to, aby pozbyć się konieczności odłączania od portu USB innych urządzeń przed dołączeniem sprzętu do ciała pacjenta po to, aby spełnić wymagania bezpieczeństwa i tym samym jest to metoda likwidacji tymczasowości połączenia realizowanego za pomocą tego łącza.

Do izolowanego portu USB urządzenia mogą być podłączone przez cały czas, ponieważ nie narusza to stopnia ochrony. Jest to istotne zwłaszcza w aplikacjach zdalnego nadzoru stanu pacjenta, urządzeń wykorzystywanych w domu, gdyż w ten sposób stają się one bardziej bezpieczne i elastyczne. Co więcej, spełnianie wymagań normy IEC 60601 pozwala na korzystanie z nich nawet w czasie defibrylacji.

Artykuł został udostępniony przez Farnell we współpracy z Analog Devices.

Farnell
www.farnell.com/pl