Alegerea și aplicarea convertorului c.c./c.c. optim pentru aplicații medicale

Proiectarea unei surse de alimentare care să funcționeze de la rețeaua de curent alternativ sau de la baterie este complicată. Proiectantul trebuie să dezvolte o soluție care să asigure tensiune și curent stabile la sarcini variabile, funcționând în același timp eficient, pentru a minimiza disiparea de putere. Cu toate acestea, atunci când sursa de alimentare este destinată unui produs medical, proiectarea devine mai complicată din cauza compatibilității electromagnetice (CEM), cerințelor stricte legate de siguranță privind contactul electric cu un pacient și din cauza protecției împotriva interferențelor electromagnetice (EMI).

Respectarea acestor cerințe este costisitoare și necesită mult timp, pentru proiectanții care dezvoltă surse de alimentare medicale de la zero. Convertoarele c.c./c.c. modulare comerciale reprezintă o alternativă, dar selectarea și aplicarea acestor soluții trebuie realizate cu atenție.

Articolul de față descrie pe scurt rolul unui convertor c.c./c.c. într-un circuit de alimentare și subliniază criteriile de selecție și considerentele speciale necesare pentru aplicațiile medicale. Apoi prezintă exemple de dispozitive de la XP Power și prezintă un model de aplicație.

Rolul unui convertor c.c./c.c.

În timp ce bateriile au o tensiune nominală, puterea este afectată de factori precum starea de încărcare, cererea de vârf și temperatura. O caracteristică cheie este scăderea tensiunii de ieșire concomitent cu descărcarea bateriei. Cu toate acestea, circuitele integrate și alte componente sensibile au nevoie de o tensiune stabilă pentru a funcționa corect. Un convertor c.c./c.c. oferă o soluție prin reglarea tensiunii de intrare pentru a furniza o tensiune de ieșire (sau ieșiri) fiabilă și constantă pentru alimentarea produsului final.

Convertoarele c.c./c.c. sunt comune și în produsele alimentate de la rețea. Un convertor c.a./c.c. inițial reglează rețeaua c.a. la o tensiune c.c. cu unul sau mai multe convertoare c.c./c.c. Apoi, reglarea ulterioară aduce tensiunea la un nivel adecvat pentru produsul final.

Topologiile convertoarelor c.c./c.c. pot fi liniare sau în comutație. Regulatoarele liniare sunt dispozitive simple și robuste, dar eficiența lor scade odată cu creșterea diferenței dintre tensiunea de intrare și cea de ieșire. De asemenea, regulatoarele liniare pot doar să reducă, nu și să crească sau să inverseze o tensiune. Imposibilitatea de a crește tensiunile lasă un potențial neexploatat în baterii.

Regulatoarele în comutație utilizează un element de comutare al cărui impuls este modulat în lățime (PWM) și cuprinde, de obicei, unul sau două MOSFET-uri asociate cu una sau două inductoare și condensatoare pentru stocarea și filtrarea energiei. Principalele motive pentru care proiectanții aleg regulatoarele în comutație sunt eficiența ridicată și densitatea ridicată a puterii. În plus, regulatoarele pot crește, reduce și inversa tensiunile.

Provocările pentru proiectanții care utilizează regulatoare în comutație includ complexitatea proiectării, costul și potențialele probleme EMI cauzate de elementele de comutare. Proiectarea unui regulator în comutație c.c./c.c. de la zero este posibilă, iar o astfel de abordare poate economisi unele costuri și spațiu, dar este complexă și necesită mult timp. O alternativă este selectarea unei opțiuni din gama largă de module comerciale, cum ar fi seria JMR de la XP Power, care integrează elementele principale ale regulatorului în comutație într-un singur dispozitiv compact, fiabil și ușor de proiectat într-un produs (Figura 1).

Figura 1: Dispozitivele modulare, precum cele din seria JMR, integrează elementele principale ale unui regulator în comutație c.c./c.c. într-un singur dispozitiv compact, fiabil și ușor de proiectat. (Sursa imaginii: XP Power)

Selectarea unui convertor c.c./c.c.

Există mulți factori care trebuie luați în considerare atunci când alegeți un convertor c.c./c.c. Unii sunt evidenți; de exemplu, aplicația, care va determina tensiunile de intrare și de ieșire și curentul de intrare și de ieșire. Alții sunt mai nuanțați. De exemplu, maximizarea eficienței necesită luarea în considerare a profilului de sarcină tipic al produsului final. De asemenea, proiectantul ar trebui să examineze curbele de eficiență din fișa tehnică pentru convertoarele c.c./c.c. preselectate pentru a se asigura că produsul final funcționează în general la punctul optim de eficiență al convertorului.

JMR1024S05 de la XP Power este un bun exemplu de convertor c.c./c.c. pentru o aplicație medicală. Acest convertor este un dispozitiv medical ultra-compact, montat pe o placă de circuite imprimate (PCB), măsurând 20,3 x 31,8 x 10,2 milimetri (mm), cu conductoare cu orificii de trecere de 3 mm. Are o ieșire de 5 V de la o intrare nominală de 24 V (min 9 V, max. 36 V). Modulul are un curent de ieșire maxim de 2 amperi (A) și un curent de intrare la sarcină maximă de 491 miliamperi (mA). Tensiunea de ondulație de ieșire măsoară 75 milivolți (mV) de la vârf la vârf (pk-pk), iar eficiența acesteia este de 84,9 %.

Modulul are un consum redus de energie fără sarcină, de 6 mA, ceea ce sporește eficiența și reduce disiparea de energie. Prin inhibarea de la distanță a modulului (Figura 2) se poate realiza o economie suplimentară de 3 mA la consumul de energie fără sarcină. Modulul este pornit dacă pinul 1 este un circuit deschis; modulul este oprit dacă pinul 1 este conectat la o sursă de curent de la 2 mA la 4 mA sau dacă se aplică între 2,2 V și 12 V la pinul 1 în raport cu pinul 2.

Figura 2: Consumul de energie fără sarcină al dispozitivului JMR1024S05 poate fi redus la 3 mA prin inhibarea de la distanță a modulului. (Sursa imaginii: XP Power)

XP Power oferă alternative în gama lor de 10 wați. De exemplu, JMR1048S12 funcționează de la o intrare nominală de 48 V (de la 18 V până la 75 V) și furnizează o ieșire de 12 V cu un curent de ieșire maxim de 833 mA. Curentul de intrare la sarcină maximă este de 237 mA, iar atunci când funcționează în această condiție, eficiența este de 88 %.

JMR1012D15 funcționează de la o intrare nominală de 12 V (de la 4,5 V până la 18 V) și furnizează o ieșire de ±15 V cu un curent maxim de 333 mA. Curentul de intrare la sarcină maximă este de 957 mA, iar atunci când funcționează în această condiție, eficiența este de 87 %.

Frecvența de comutare pentru seria JMR de 10 wați este de 300 kilohertzi (kHz).

Cerințe speciale pentru aplicații medicale

Produsele medicale solicită mai mult de la un convertor c.c./c.c. deoarece componentele electrice utilizate în produsele finale sunt supuse standardului strict de siguranță medicală IEC 60601-1.

Conform IEC 60601-1, „partea aplicată” este definită drept elementul dispozitivului medical care intră în contact direct cu un pacient sau care are părți ce pot intra în contact cu pacientul în timpul utilizării normale a produsului. Standardul definește părțile aplicate în funcție de tipul de contact cu pacientul și de natura dispozitivului medical.

Clasificarea de tip B este acordată părților aplicate care sunt în general neconductoare și pot fi conectate la masă. Tipul BF (corp flotant) se aplică părților aplicate care sunt conectate electric la pacient și care trebuie să fie flotante și separate de masă. Tipul BF nu acoperă părțile aplicate care fac contact direct cu inima. Clasificarea de tip CF (cardiac flotant) se acordă părților aplicate adecvate pentru conectarea directă la inimă. Părțile aplicate de tip CF trebuie să fie flotante și separate de masă.

Dispozitivele medicale conectate la pacient trebuie să includă mijloace de protecție (MOP) pentru a împiedica părțile aplicate (și alte părți accesibile) să depășească limitele de tensiune, curent sau energie. O conexiune de protecție la masă conformă asigură 1 x MOP, izolarea de bază asigură, de asemenea, 1 x MOP, iar izolarea consolidată asigură 2 x MOP.

MOP pot fi clasificate în continuare ca mijloace de protecție a operatorului (MOOP) și mijloace de protecție a pacientului (MOPP). Pentru dispozitivele destinate conectării la pacient se solicită 2 x MOPP.

Sursele de alimentare pentru dispozitivele medicale cu clasificări de tip BF și CF trebuie să asigure 2 x MOPP de la primar la secundar și 1 x MOPP de la primar la masă. Izolarea suplimentară de siguranță de la orice ieșire secundară a sursei de alimentare la masă trebuie să fie, de asemenea, evaluată la 1 x MOPP pentru cea mai mare tensiune de linie c.a. de intrare. Tabelul 1 prezintă spațiul liber, distanța liniei de fugă și tensiunile de testare pentru izolația de bază (1 x MOP) și cea consolidată (2 x MOP) în aplicațiile MOOP și MOPP.

Tabelul 1: Se prezintă spațiul liber, distanța liniei de fugă și tensiunile de testare pentru izolația de bază (1 x MOP) și cea consolidată (2 x MOP) în aplicațiile MOOP și MOPP. (Sursa tabelului: XP Power)

Pe lângă MOP pentru aplicațiile MOOP și MOPP, sursa de alimentare pentru un dispozitiv medical trebuie să fie proiectată astfel încât să limiteze curentul de atingere, curentul auxiliar al pacientului și curentul de scurgere la pacient. Valorile maxime admise pentru curentul de atingere sunt de 100 microamperi (μA) în condiții normale și de 500 μA într-o condiție de defecțiune unică (SFC). Această cerință limitează efectiv la 500 μA curentul de scurgere la masă al sistemului în condiții de funcționare normală.

Cerințele pentru curentul de atingere, curentul auxiliar al pacientului și curentul de scurgere la pacient reprezintă o provocare pentru proiectanți. Aceștia trebuie să se asigure că sursa de alimentare oferă izolarea de siguranță necesară, minimizând în același timp curenții de scurgere în condiții normale de funcționare și protecția în condiții de defecțiune prin izolarea pacientului de masă.

În cele din urmă, dispozitivul medical trebuie să respecte cerințele CEM descrise în IEC 60601-1-2. Aceste cerințe vizează îmbunătățirea imunității echipamentelor față de numeroasele dispozitive de comunicații wireless care funcționează în apropierea echipamentelor vitale. Obiectivul secundar al cerințelor este de a oferi orientări privind compatibilitatea electromagnetică pentru echipamentele utilizate în afara spitalului, când există tendința de a avea un control mai redus asupra mediului CEM.

Utilizarea unui convertor c.c./c.c. ca a doua treaptă de izolare

Provocările de proiectare ale cerințelor medicale speciale pot fi atenuate prin selectarea cu atenție a unui convertor c.c./c.c. pentru introducerea unei trepte secundare de izolare. Adăugarea acestei trepte asigură izolarea de bază la tensiunea de linie c.a. De asemenea, minimizează capacitatea de la intrare la ieșire (la aproximativ 20 până la 50 picofarazi (pF)), ceea ce, la rândul său, reduce potențialul curent de scurgere la pacient la doar câțiva microamperi (Figura 3).

Figura 3: Un convertor c.c./c.c. aprobat (dreapta) poate fi utilizat pentru reglarea tensiunii la partea aplicată, asigurând în același timp izolarea secundară pentru 1 x MOPP și minimizând potențialul curent de scurgere la pacient. (Sursa imaginii: XP Power)

De exemplu, convertoarele c.c./c.c. de 10 wați din seria JMR de la XP Power descrise mai sus au aprobarea agenției de siguranță medicală IEC60601-1, izolare consolidată 2 x MOPP de 5 kilovolți (kV) c.a., capacitate de izolare de 17 pF și curent de scurgere la pacient de 2 μA, fiind ușor de integrat într-o gamă largă de aplicații medicale BF și CF.

Filtrarea CEM, necesară pentru a permite produsului final să îndeplinească cerințele IEC 60601-1-2, poate fi adăugată la circuitul dintre sistemul și comenzile dispozitivului medical și convertorul c.c./c.c., fără a compromite izolarea sau curenții de scurgere reduși. Figura 4 ilustrează circuitele de filtrare CEM recomandate pentru supratensiuni și fenomene tranzitorii electrice rapide (EFT), precum și EMI de clasa B.

Figura 4: Sunt prezentate circuitele de filtrare CEM recomandate pentru supratensiuni și EFT și EMI din clasa B pentru utilizare cu convertoarele c.c./c.c. din seria JMR10. (Sursa imaginii: XP Power)

Tabelul 2 prezintă valorile componentelor recomandate pentru aceste circuite atunci când se utilizează dispozitivele din seria JMR10 cu tensiuni de intrare de 12 V, 24 V și 48 V.

Tabelul 2: Se arată valorile recomandate ale componentelor pentru circuitele prezentate în figura 4. (Sursa tabelului: XP Power)

Concluzie

Convertoarele c.c./c.c. modulare și puternic integrate simplifică proiectarea surselor de alimentare fiabile și de înaltă performanță pentru sistemele medicale. Totuși, proiectanții trebuie să aleagă cu atenție un dispozitiv cu certificare IEC 60601-1 pentru a se asigura că îndeplinesc cerințele standardului privind siguranța operatorului și a pacientului, precum și cel privind CEM.