Spełnienie tych wymagań jest kosztowne i czasochłonne, gdy zadanie dotyczy opracowania zasilacza medycznego od zera. Alternatywą jest użycie w projekcie komercyjnej modułowej przetwornicy DC/DC, ale należy zachować ostrożność przy wyborze takiego rozwiązania.
W artykule opisano koncepcję użycia przetwornicy DC/DC w obwodzie zasilania i przedstawiono kryteria wyboru oraz specjalne kryteria wymagane w zastosowaniach medycznych. Następnie przedstawiono przykładowe jednostki firmy XP Power nadające się do opisanych aplikacji.
Rola przetwornicy DC/DC
Mimo że baterie i akumulatory są charakteryzowane za pomocą stałego napięcia znamionowego, w praktyce wartość ta się zmienia, a więc nie jest stała. Na wartość napięcia ogniwa wpływają takie czynniki, jak stan naładowania, pobór prądu i temperatura. Kluczową cechą ogniw chemicznych jest to, że ich napięcie wyjściowe maleje wraz z rozładowywaniem się baterii. Większość układów scalonych i innych czułych komponentów wymaga stałego napięcia zasilającego do działania. Stąd zazwyczaj napięcie baterii jest najpierw podawane na stabilizator liniowy lub przetwornicę DC/ DC, które zapewniają niezbędną stabilizację w funkcji obciążenia, temperatury i napięcia na wejściu dla dołączonego odbiornika.
Przetwornice DC/DC są też powszechnie używane w urządzeniach zasilanych z sieci. W tym przypadku jeden konwerter izolowany typu AC/DC dostarcza napięcia stałego o wartości pośredniej, z którego następnie zasila się jedną lub większą liczbę nieizolowanych przetwornic DC/DC lub stabilizatorów liniowych. Te jednostki zapewniają konwersję napięcia pośredniego na docelowe wartości napięć dla układów i modułów końcowych. Taka architektura z szyną pośrednią jest bardzo popularną i szeroko stosowaną koncepcją dystrybucji zasilania.
Stabilizatory liniowe są tanie i proste, ale ich sprawność jest niewielka i przy dużej różnicy napięcia między wejściem i wyjściem są one źródłem znacznych strat mocy. Ponadto stabilizatory liniowe mogą jedynie obniżać napięcie, a w układzie często konieczne jest podwyższenie lub odwrócenie polaryzacji. Straty mocy, praca wyłącznie z obniżaniem napięcia powoduje nieefektywne wykorzystanie ładunku baterii.
Konwertery przełączające wykorzystują modulację szerokości impulsu (PWM) a ich stopień mocy zazwyczaj składa się z jednego lub dwóch tranzystorów MOSFET połączonych z jednym lub dwoma dławikami i kondensatorami do magazynowania energii i filtrowania. Zaletą jest duża sprawność i małe wymiary, a więc duża gęstość mocy. Ponadto przetwornice impulsowe mogą zwiększać, obniżać i odwracać napięcie wejściowe.
Rozważania projektowe dla konwerterów impulsowych obejmują złożoność projektu, koszty i potencjalne problemy EMI z powodu komutacji sygnałów mocy. Oczywiście możliwe jest zaprojektowanie przetwornicy impulsowej DC/DC od zera we własnym zakresie, co może okazać się nieco tańsze i dać mniejszą zajętość miejsca, ale jest to zadanie złożone i czasochłonne. Alternatywą jest skorzystanie z szerokiej gamy modułów komercyjnych, takich jak na przykład rodzina JMR firmy XP Power. Konwertery te zawierają wszystkie niezbędne elementy w jednej kompaktowej obudowie, a do tego są niezawodne i łatwe do aplikacji w projektowanym urządzeniu (rys. 1).
Wybór przetwornicy DC/DC
Istnieje wiele czynników, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze przetwornicy DC/DC. Niektóre są oczywiste, jak na przykład wartość napięcia wyjściowego, zakres napięć wejściowych oraz prąd wyjściowy. Inne są już mniej jednoznaczne. Na przykład maksymalizacja sprawności konwersji energii wymaga uwzględnienia typowego profilu obciążenia przez dołączony odbiornik. Chodzi o to, aby upewnić się, że dla znamionowych wartości obciążenia konwertera będzie on działać w optymalnym zakresie swojej charakterystyki.
Przetwornica JMR1024S05 firmy XP Power to przykład jednostki nadającej się do zastosowań medycznych. Jest to ultrakompaktowe rozwiązanie do montażu na płytce drukowanej o wymiarach 20,3 × 31,8 × 10,2 mm. Na wyjściu dostarcza 5 V przy nominalnym napięciu wejściowym 24 V i dopuszczalnych wahaniach w zakresie 9–36 V. Maksymalny prąd wyjściowy sięga 2 amperów (dla 5 V), dla którego prąd wejściowy to 491 mA (dla 24 V). Poziom tętnień i szumów w napięciu wyjściowym wynosi 75 mVpp, a sprawność konwersji to 84,9%.
Cechą przetwornicy jest niewielki prąd pobierany w stanie bez obciążenia, tj. jedynie 6 mA, co zwiększa sprawność układu i obniża straty mocy. Wartość ta może być jeszcze dodatkowo zmniejszona o połowę, tj. do 3 mA, za pomocą sygnału blokady działania, tj. enable (rys. 2). Przetwornica jest włączona, jeśli pin 1 jest otwarty. Gdy pin 1 jest podłączony do źródła prądu o natężeniu od 2 do 4 mA lub zostanie do niego przyłożone napięcie od 2,2 V do 12 V, przetwornica jest zablokowana.
do 3 mA, wykorzystując wejście blokujące pracę
Inne konwertery firmy XP Power o mocy wyjściowej 10 watów to na przykład JMR1048S12. Pracuje on przy nominalnym napięciu wejściowym 48 V (zakres dopuszczalnych wahań to 18 V do 75 V) i dostarcza na wyjściu 12 V przy maksymalnym prądzie 833 mA. Prąd wejściowy przy obciążeniu znamionowym wynosi 237 mA (dla 48 V), a przy pracy w tych warunkach sprawność konwersji to 88%.
Z kolei JMR1012D15 działa przy nominalnym napięciu wejściowym 12 V (zakres 4,5 V do 18 V) i dostarcza ±15 V na wyjściu przy prądzie znamionowym 333 mA. Prąd wejściowy przy tym obciążeniu to 957 mA (12 V) i sprawności 87%. Częstotliwość przełączania rodziny przetwornic JMR o mocy 10 watów wynosi 300 kHz.
Specjalne wymagania dotyczące zastosowań medycznych
Aplikacje medyczne wymagają spełnienia przez przetwornice DC/DC bardziej rygorystycznych wymagań, wynikających z tego, że podlegają one pod rygorystyczną normę bezpieczeństwa medycznego IEC 60601-1.
Norma definiuje "komponenty stosowane" zgodnie z rodzajem kontaktu z pacjentem i charakterem wyrobu medycznego. Zgodnie z tą regulacją "komponent stosowany" jest definiowany jako element wyrobu medycznego, który ma bezpośredni kontakt z pacjentem lub ma części, które mogą mieć kontakt z pacjentem podczas normalnego użytkowania produktu.
Klasyfikacja typu B dotyczy komponentów stosowanych, które są zasadniczo nieprzewodzące i mogą być podłączone do uziemienia. Typ BF (body floating) dotyczy elementów, które są elektrycznie podłączone do pacjenta i muszą być pływające i oddzielone od uziemienia. Typ BF nie obejmuje komponentów stosowanych mających bezpośredni kontakt z sercem. Klasyfikacja typu CF (cardiac floating) dotyczy elementów mających bezpośrednie połączenie z sercem. Muszą one być pływające i separowane od uziemienia.
Urządzenia medyczne podłączone do pacjenta muszą zapewniać środki ochrony (means of protection, MOP), aby zapobiec przekroczeniu dopuszczalnych wartości napięcia, prądu lub energii przez dostępne elementy i kontakty. Zgodne z przepisami podłączenie uziemienia ochronnego zapewnia ochronę typu 1 × MOP, podstawowa izolacja zapewnia również 1 × MOP, a wzmocniona izolacja zapewnia 2 × MOP.
Dalej, MOP można podzielić na środki ochrony operatora (Means of Operator Protection, MOOP) i środki ochrony pacjenta (Means of Patient Protection, MOPP). W sprzęcie przeznaczonym do podłączenia z pacjentem wymagana jest ochrona na poziomie 2 × MOPP.
Zasilacze do urządzeń medycznych z klasyfikacją typu BF i CF muszą zapewniać 2 × MOPP między stroną pierwotną a wtórną i 1 × MOPP od strony pierwotnej a uziemieniem. Dodatkowa izolacja od dowolnego wyjścia po stronie wtórnej zasilacza a uziemieniem musi być również klasy 1 × MOPP dla najwyższego znamionowego napięcia wejściowego w sieci AC. Tabela 1 przedstawia odstęp izolacyjny (clearance), drogę upływu (creepage) i wartości napięć testowych dla izolacji podstawowej (1 × MOP) i wzmocnionej (2 × MOP) w zastosowaniach MOOP i MOPP.
Oprócz wymagań MOP dla zastosowań MOOP i MOPP, zasilacz urządzenia medycznego musi być zaprojektowany tak, aby prąd upływu płynący przez pacjenta był wyraźnie ograniczony. Maksymalne dopuszczalne wartości to 100 μA w warunkach normalnych i 500 μA w warunkach pojedynczej awarii (single fault condition, SFC). Prąd upływu do uziemienia jest limitowany do 500 μA podczas normalnej pracy.
Wymagania dotyczące prądu dotykowego stanowią duże wyzwanie dla projektantów. Konieczne jest bowiem zapewnienie dobrej izolacji i jednoczesne minimalizowanie prądu upływu podczas normalnej pracy i w warunkach awaryjnych. Na koniec, zasilacz medyczny musi spełniać wymagania EMC określone w normie IEC 60601-1-2. Wymagania te mają na celu poprawę odporności sprzętu na oddziaływanie emisji z urządzeń komunikacji bezprzewodowej działających w pobliżu sprzętu medycznego o znaczeniu krytycznym dla życia. Drugorzędnym celem wymagań jest zapewnienie wskazówek EMC dla sprzętu używanego poza szpitalem, gdy występuje tendencja do mniejszej kontroli nad środowiskiem EMC.
Przetwornica DC/DC jako drugi stopień izolacji
Wyzwania projektowe związane ze specjalnymi wymaganiami medycznymi można złagodzić, wykorzystując przetwornicę DC/ DC jako drugi stopnień izolacji. Dodanie tego stopnia minimalizuje również pojemność między wejściem (siecią) a wyjściem (do około 20 do 50 pF), co z kolei zmniejsza wartość prądu upływu dla pacjenta do zaledwie kilku mikroamperów (rys. 3).
Opisane powyżej przetwornice DC/DC z serii JMR o mocy 10 watów są zgodne z wymaganiami IEC60601- 1, zapewniają izolację wzmocnioną klasy 2 × MOPP przy napięciu testowym 5 kVAC, pojemności izolacji 17 pF i prądzie upływu pacjenta 2 μA. Takie parametry umożliwiają ich łatwą integrację z szeroką gamą aplikacji medycznych BF i CF.
Niezbędny do spełnienia wymagań normy IEC 60601-1-2 filtr EMC można dodać do tego typu zasilacza między urządzeniem medycznym a konwerterem DC/ DC bez negatywnego wpływu na jakość izolacji lub wartość prądu upływu. Rysunek 4 ilustruje taki filtr ograniczający wartości przepięć i stanów nieustalonych oraz ograniczający emisję do poziomu klasy B.
Tabela 2 podaje zalecane wartości komponentów dla tego filtru dla pracy z przetwornicami JMR10 o napięciach wejściowych 12 V, 24 V i 48 V.
Podsumowanie
Modułowe przetwornice DC/DC upraszczają projektowanie niezawodnych, wydajnych zasilaczy dla systemów medycznych. Ułatwiają spełnienie wymagań normy IEC 60601-1, w tym wymagania dotyczące bezpieczeństwa operatora i pacjenta, a także EMC.
DigiKey
www.digikey.pl
