Utilizați dispozitive GaN pentru a micșora sursele de alimentare externe c.a./c.c. medicale

În ciuda progreselor înregistrate în tehnologia bateriilor și a circuitelor cu consum redus de energie, sistemele medicale reprezintă una dintre multele aplicații în care proiectele complet independente, bazate exclusiv pe baterii, nu sunt fezabile, practice sau acceptabile. În schimb, echipamentul trebuie să funcționeze adesea direct de la o linie c.a. sau cel puțin să se poată baza pe o priză de c.a. pentru a funcționa atunci când bateriile sunt descărcate.

Pe lângă respectarea specificațiilor de bază privind performanța surselor de alimentare c.a./c.c., sursele de alimentare medicale trebuie să respecte mandatele de reglementare pentru considerente de performanță mai puțin evidente, cum ar fi izolarea galvanică, valorile nominale de tensiune, curentul de scurgere și mijloacele de protecție (MOP). Aceste standarde au fost implementate pentru a garanta că unitatea alimentată nu pune în pericol operatorul sau pacientul, chiar dacă există defecțiuni la nivelul alimentării sau al sarcinii. În același timp, proiectanții de surse de alimentare medicale trebuie să continue să îmbunătățească eficiența și să reducă dimensiunea și greutatea acestor dispozitive.

Articolul de față prezintă utilizarea surselor externe de alimentare c.a./c.c. în instrumentele medicale și analizează standardele de reglementare asociate. În continuare sunt prezentate produsele de la XP Power, pe care proiectanții le pot folosi pentru a respecta aceste standarde, profitând în același timp de dispozitivele de alimentare cu nitrură de galiu (GaN) pentru a reduce dimensiunea fizică a sursei de alimentare la aproape jumătate.

Cerințe de bază pentru proiectarea surselor de alimentare

Selectarea unei surse de alimentare c.a./c.c. începe cu parametrii standard de performanță a sursei de alimentare. Sursa de alimentare trebuie să asigure tensiunea nominală de curent continuu și să poată furniza curentul nominal la această tensiune pentru a susține sarcina. O sursă de alimentare universală trebuie să accepte o gamă largă de tensiuni de intrare c.a. (de obicei, de la 85 volți c.a. (V c.a.) la 264 V c.a.) la frecvențe cuprinse între 47 și 63 Hertz (Hz).

Aceste valori nominale ale tensiunii și ale curentului de intrare și de ieșire sunt esențiale, dar insuficiente pentru a defini pe deplin o sursă de alimentare. Alte considerente includ:

• Atributele de performanță dinamică, cum ar fi întârzierea la pornire, timpul de activare la pornire, timpul de menținere, reglarea liniei și a sarcinii, răspunsul la fenomene tranzitorii, ondulația și zgomotul și supraîncărcarea
• Protecția împotriva suprasarcinilor, scurtcircuitelor și supratemperaturii
• Mandatele de eficiență, care sunt o funcție de putere nominală maximă a alimentării și trebuie să aibă valori specifice de-a lungul curbei de sarcină, inclusiv punctele de sarcină maximă, sarcină redusă și fără sarcină
• Un factor de putere (PF) apropiat de unitate, unde valoarea specifică a PF este o funcție a nivelului de putere și a standardului de reglementare de control
• Compatibilitatea electromagnetică (CEM), care caracterizează interferența electromagnetică (EMI)/interferența de radiofrecvență (RFI) maximă a sursei, precum și sensibilitatea acesteia la descărcări electrostatice (ESD), energie radiată, evenimente de energie în rafale, supratensiuni de linie și câmpuri magnetice
• Siguranța, care definește cerințele de bază pentru protecția utilizatorului și a echipamentului, inclusiv tensiunea de izolare între intrare și ieșire, între intrare și masă și între ieșire și masă

Cerințe pentru sursele de alimentare medicale

Standardele suplimentare și mandatele de reglementare complică și mai mult lucrurile atunci când se evaluează o sursă de alimentare pentru aplicații medicale. Acestea se referă în primul rând la siguranța pacientului și a operatorului, garantând că alimentarea cu energie electrică nu îi va pune în pericol pe niciunul dintre aceștia, nici măcar în cazul unei defecțiuni unice sau chiar duble.

O mare parte a preocupărilor se referă la curenții dispersați sau de scurgere. O tensiune de linie standard (110/230 volți; 50 sau 60 Hz) pe piept, chiar și pentru o fracțiune de secundă, poate induce fibrilație ventriculară la curenți de doar 30 miliamperi (mA). Dacă există o cale de curent directă către inimă, cum ar fi printr-un cateter cardiac sau alt electrod, fibrilația poate fi provocată de un curent mult mai mic, de mai puțin de 1 mA (c.a. sau c.c.).

Acestea sunt unele dintre pragurile standard care sunt adesea citate pentru curentul care traversează corpul uman prin contactul cu suprafața pielii, iar valorile de pericol sunt mult mai mici pentru contactul intern:

• 1 mA: abia perceptibil
• 16 mA: curentul maxim pe care îl poate suporta o persoană de talie medie
• 20 mA: paralizia mușchilor respiratori
• 100 mA: prag de fibrilație ventriculară
• 2 A: stop cardiac și leziuni ale organelor interne

Nivelurile de risc sunt, de asemenea, o funcție a traiectoriei fluxului de curent prin două puncte de contact cu corpul, cum ar fi peste piept sau de la un braț până la picioare. Acesta este motivul pentru care minimizarea curenților de scurgere care trec prin izolația dielectrică a unui transformator de izolare c.a. este critică.

Poate părea că valoarea curentului de scurgere ar fi neglijabilă în cazul unei izolații de calitate adecvată. Totuși, în timp ce această scurgere poate fi un curent care „se scurge” fizic datorită naturii imperfecte a izolației, aceasta poate rezulta și din cuplarea capacitivă a curenților care pot traversa chiar și o izolație excepțională.

Un model simplificat al unui transformator ideal care prezintă o izolare galvanică (ohmică) perfectă între partea primară și cea secundară (Figura 1).

Figura 1: Un model de bază al unui transformator arată că nu există un traseu de curent de la partea primară la partea secundară. (Sursa imaginii: Power Sources Manufacturers Association)

Cu un transformator ideal, niciun curent nu poate trece direct de la rețeaua de curent alternativ la produsul alimentat pentru a forma o buclă completă de curent înapoi la rețeaua de c.a., chiar dacă o defecțiune a unei componente sau a cablajului oferă o nouă cale de curent pe partea secundară. Cu toate acestea, niciun transformator nu este perfect și este de așteptat să apară o capacitate între înfășurări, între primar și secundar (Figura 2).

Figura 2: Un model mai realist arată capacitatea de bază între înfășurări (C_ps1) între partea primară și cea secundară. (Sursa imaginii: Power Sources Manufacturers Association)

Un model mai sofisticat adaugă surse suplimentare de capacitate între înfășurări (Figura 3).

Figura 3: Există și alte capacități ale transformatorului în afară de prima înfășurare intermediară (C_ps1). (Sursa imaginii: Power Sources Manufacturers Association)

Această capacitate nedorită permite circulația curentului de scurgere, iar valoarea sa este o funcție de multe variabile, cum ar fi dimensiunea firului, modelul de înfășurare și geometria transformatorului. Valoarea poate varia de la un picofarad (pF) până la câțiva microfarazi (µF). În plus față de scurgerile capacitive bazate pe transformator, alte surse de capacități neintenționate sunt spațiile de pe plăcile de circuite imprimate (PCB), izolația dintre semiconductori și radiatorul împământat și fenomenele parazite dintre alte componente.

Curentul de scurgere al transformatorului datorat capacității nu este singura problemă pe care o abordează reglementările privind alimentarea cu energie electrică din domeniul medical. Siguranța și izolarea de bază a instalațiilor c.a. sunt prioritare. În funcție de nivelurile de tensiune și de putere, este posibil ca sursele de alimentare să aibă nevoie și de o a doua barieră de izolație independentă, în plus față de bariera principală (sau de o izolație consolidată fizic). De asemenea, performanța izolației se degradează în timp și din cauza temperaturilor extreme, a stresului datorat tensiunii înalte și a supratensiunilor, deși este posibil ca aceasta să își îndeplinească în continuare valoarea nominală.

Primul strat de izolație este denumit, de obicei, „izolație de bază”. Un exemplu este izolația firelor. Al doilea strat este adesea o carcasă izolată, așa cum se întâmplă în cazul multor surse de alimentare de perete și de birou.

Standarde și mijloace de protecție (MoP)

Principalul standard care reglementează produsele electronice medicale și siguranța este IEC 60601-1. Cea mai recentă ediție (a 4-a) extinde accentul pe pacient, solicitând un mijloc general de protecție (MOP) care combină unul sau mai multe „mijloace de protecție a operatorului” (MOOP) și „mijloace de protecție a pacientului” (MOPP).

Standardele de reglementare au creat, de asemenea, clase de protecție pentru modul în care se asigură MOOP. Acestea sunt denumite Clasa I și Clasa II și reglementează construcția și izolarea surselor de alimentare. Un produs din Clasa I are un șasiu conductiv conectat la masa de siguranță. Pentru simplificarea compatibilității cu fișa de perete locală, alimentatorul are un soclu IEC320-C14 pentru un cablu de alimentare furnizat de utilizator cu un conductor de siguranță la pământ (Figura 4, stânga).

În schimb, sursele de alimentare din Clasa II au un cablu de alimentare cu două fire, cu o conexiune de siguranță la pământ (Figura 4, dreapta). Ca urmare a absenței unui cablu de alimentare împământat, există două straturi de izolație (sau un singur strat de izolație consolidată) între utilizator și conductorii interni purtători de curent.

Figura 4: Unitățile din Clasa I (stânga) și Clasa II (dreapta) au conexiuni de linie c.a. cu trei fire cu împământare sau cu două fire fără împământare, utilizate adesea cu socluri IEC standard și cabluri de linie furnizate de utilizator. (Sursa imaginii: XP Power)

Rezultatul este că orice sursă de alimentare c.a./c.c. destinată aplicațiilor medicale și certificată ca fiind de Clasa I sau Clasa II trebuie să fie special proiectată și testată în conformitate cu standardele relevante. Din fericire, furnizorii de surse de alimentare, cum ar fi XP Power, înțeleg aspectele tehnice, de fabricație și de certificare necesare pentru a furniza surse care să îndeplinească aceste standarde.

Dimensiunea contează și ea

Cerințele tehnice și mandatele de reglementare impuse pentru sursele medicale c.a./c.c. nu se referă la dimensiunea fizică, dar dimensiunea este, totuși, importantă. Sursele de mari dimensiuni complică aranjamentul operațional la fața locului în cazul în care spațiul este limitat, cum ar fi într-o ambulanță sau într-un cadru clinic, unde spațiul pentru căruciorul mobil și birou este limitat.

Reducerea dimensiunii sursei de alimentare c.a./c.c. ar fi benefică în aceste situații, dar este o provocare. Dimensiunile minime ale sursei de alimentare sunt limitate de necesitatea de a respecta orientările de reglementare privind izolarea, linia de fugă și distanța minimă.

O altă problemă legată de micșorarea sursei de alimentare este disiparea termică. Dacă volumul și suprafața capsulei sunt insuficiente, temperatura internă a sursei va fi mai mare decât în cazul unei surse mai mari, degradând componentele interne active, pasive și izolatoare. Răcirea cu aer forțat este inacceptabilă din cauza posibilelor blocaje ale fluxului de aer, problemelor de fiabilitate pe termen lung și zgomotului ambiental suplimentar.

Mai mult, căldura generată poate determina creșterea temperaturii de suprafață a carcasei sursei de alimentare peste un nivel acceptabil, punând pacienții și operatorii în pericol. Soluția pentru reducerea surselor de alimentare este utilizarea unor componente adecvate de comutare a circuitului pentru a minimiza căldura generată.

În acest caz, dispozitivele de comutare pe bază de GaN oferă avantaje distincte față de siliciu (Si). Rezistența lor mai mică în serie, timpii de comutare mai rapizi și sarcina de recuperare inversă mai mică reduc pierderile, ceea ce duce la o sursă de alimentare cu comutare mai eficientă, mai rece și mai compactă.

Un exemplu este AQM200PS19 de la XP-Power, un membru al seriei AQM. Sursa de alimentare este evaluată pentru o funcționare de 19 volți/10,6 amperi (A), Clasa I. Unitatea măsoară aproximativ 167 × 54 × 33 milimetri (mm), ceea ce reprezintă jumătate din dimensiunile unei surse de alimentare tradiționale cu aceste caracteristici, și cântărește doar 600 de grame (g) (Figura 5).

Figura 5: AQM200PS19 este o unitate din Clasa I, de 200 de wați, care furnizează 19 volți la o putere de până la 10,6 A cu o eficiență de 92%. (Sursa imaginii: XP Power)

Această sursă de alimentare externă este aprobată în totalitate conform standardelor medicale internaționale. Parametrii electrici includ un curent de scurgere la pacient de sub 100 microamperi (µA), o eficiență tipică de 92%, un consum de energie în standby mai mic de 0,15 wați și un PF >0,9.

Disponibilă în ambele versiuni, de Clasa I și Clasa II, sursa de alimentare este clasificată pentru funcționare între 0 ° și 60 °C. Aceasta dispune de o carcasă complet etanșă care respectă standardele IP22, iar finisajul neted al suprafeței sale facilitează curățarea în mediile medicale.

Pentru sistemele de putere mai mare, XP Power oferă AQM300PS48-C2, o unitate de 300 de wați, Clasa II, cu o putere de ieșire de 48 de volți/6,25 A și un consum de energie în standby de sub 0,5 wați. Deși este puțin mai mare, această sursă de alimentare încă este compactă, având doar 183 × 85 × 35 mm și o greutate de 1.050 g.

Cu o putere nominală de 250 de wați, XP Power oferă AQM250PS24, o sursă de alimentare de 24 volți/10,4 A, Clasa 1, cu un consum de energie în standby de sub 0,15 wați. Aceasta măsoară 172 × 67,1 × 32 mm.

Concluzie

Sursele de alimentare c.a./c.c. externe și autonome pentru echipamentele medicale trebuie să îndeplinească cerințe stricte de reglementare, operaționale, de performanță, de siguranță și de eficiență. Seria AQM de surse de alimentare externe de clasă medicală de la XP Power depășește aceste cerințe folosind dispozitive GaN, rezultând într-o capsulă generală care este de două ori mai mică decât o unitate clasică Si.