Articolul analizează utilizarea surselor externe de alimentare AC/DC în instrumentele medicale și trece în revistă standardele de conformitate asociate. Apoi prezintă produsele de la XP Power pe care proiectanții le pot folosi pentru a respecta aceste standarde, profitând în același timp de dispozitivele de putere din nitrură de galiu (GaN) pentru a reduce dimensiunea fizică a sursei cu aproape jumătate.
În ciuda progreselor înregistrate în tehnologia bateriilor și a circuitelor cu consum redus de putere, sistemele medicale sunt printre multele aplicații în care proiectele complet autonome, bazate exclusiv pe baterii, nu sunt fezabile, practice sau acceptabile. În schimb, echipamentul trebuie să opereze adesea prin intermediul unei linii de curent alternativ sau cel puțin să se poată baza pe o priză de curent alternativ pentru a funcționa atunci când bateriile sunt descărcate.
În plus, pentru a respecta specificațiile de bază privind performanța surselor de alimentare AC/DC, sursele de alimentare medicale trebuie să îndeplinească normele de reglementare privind aspecte de performanță mai puțin evidente, cum ar fi izolarea galvanică, tensiunea nominală, curentul de scurgere și mijloacele de protecție (MOP). Aceste standarde sunt instituite pentru a se asigura că unitatea alimentată nu pune în pericol operatorul sau pacientul, chiar dacă există defecțiuni ale sursei sau ale sarcinii. În același timp, proiectanții de surse de alimentare medicale trebuie să continue să îmbunătățească eficiența și să reducă dimensiunea și greutatea.
Cerințe de bază pentru proiectarea surselor de alimentare
Selectarea unei surse de alimentare AC/DC începe cu parametrii standard de performanță ai sursei de alimentare. Aceasta trebuie să asigure tensiunea nominală de curent continuu și să poată livra curentul nominal la această tensiune pentru a susține sarcina. O sursă de alimentare universală trebuie să se adapteze la o gamă largă de tensiuni de intrare de curent alternativ (de obicei, de la 85VAC la 264VAC) la frecvențe cuprinse între 47 și 63 Hertz (Hz).
Aceste valori nominale ale tensiunii și 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 creștere la pornire, timpul de reținere, ajustarea liniei și a sarcinii, răspunsul tranzitoriu, riplul și zgomotul și supraîncărcarea.
- Protecția împotriva suprasarcinilor, a scurtcircuitelor și a supratemperaturii.
- Norme de eficiență, care depind de puterea nominală maximă a sursei de alimentare și care 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 – Power Factor) apropiat de unitate, unde numărul specific PF este funcție de nivelul de putere și de standardul de reglementare de control.
- Compatibilitatea electromagnetică (EMC – Electromagnetic compatibility), care caracterizează interferența electromagnetică (EMI)/interferența de radiofrecvență (RFI) maximă a sursei de alimentare, precum și susceptibilitatea acesteia la descărcări electrostatice (ESD – Electrostatic discharge), energie radiată, evenimente energetice bruște, supratensiuni de linie și câmpuri magnetice.
- Siguranța, care definește cerințele de bază pentru a proteja utilizatorul și echipamentul, 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 normele 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 sursa de alimentare nu îi va pune în pericol pe niciunul dintre aceștia în cazul unei singure defecțiuni sau chiar al unei defecțiuni duble.
O mare parte a preocupărilor se referă la curenții de dispersie 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). În cazul în care curentul are o cale directă către inimă, cum ar fi prin intermediul unui cateter cardiac sau al unui alt electrod, un curent mult mai mic de mai puțin de 1 mA (AC sau DC) poate provoca fibrilație.
Acestea sunt câteva praguri standard care se menționează frecvent pentru curentul care trece prin corp prin contactul cu suprafața pielii, însă cifrele de pericol sunt mult mai mici pentru un contact intern:
- 1 mA: abia perceptibil
- 16 mA: curentul maxim pe care o persoană de mărime medie îl poate suporta atunci când apucă un conductor și poate să-l elibereze voluntar
- 20 mA: paralizia mușchilor respiratori
- 100 mA: prag de fibrilație ventriculară
- 2 A: oprire cardiacă și leziuni ale organelor interne
Nivelurile de risc sunt, de asemenea, în funcție de traseul fluxului de curent prin două puncte de contact cu corpul, cum ar fi peste sau prin piept, sau de la un braț până la picioare. Acesta este motivul pentru care este esențială reducerea la minimum a curenților de scurgere care trec prin izolația dielectrică a unui transformator de izolare de curent alternativ.
S-ar putea părea că valoarea curentului de scurgere este neglijabilă cu o izolație de calitate adecvată. Totuși, în timp ce această scurgere poate fi curentul care se „scurge” fizic prin izolație din cauza naturii imperfecte a acesteia, scurgerea poate proveni și din curenți care apar prin cuplaj capacitiv și care pot traversa chiar și o izolație excepțională.
Figura 1: Un model de bază al unui transformator arată că nu există nicio cale de curent de la partea primară la partea secundară. (Sursa imaginii: Power Sources Manufacturers Association)
Un model simplificat al unui transformator ideal prezintă o izolare galvanică (ohmică) perfectă între partea primară și cea secundară a acestuia (figura 1).
Cu un transformator ideal, niciun curent nu poate trece direct de la rețeaua de curent alternativ la produsul alimentat pentru a forma o buclă de curent completă înapoi la rețeaua de curent alternativ, chiar dacă o defecțiune a unei componente sau a cablurilor oferă o nouă cale de curent pe partea secundară.
Figura 2: Un model mai realist arată capacitanța între înfășurări (Cps1) între partea primară și cea secundară. (Sursa imaginii: Power Sources Manufacturers Association)
Cu toate acestea, niciun transformator nu este perfect și este de așteptat să existe o capacitanță între înfășurări de la primar la secundar (figura 2).
Un model mai sofisticat include apariția și mai multor capacitanțe între înfășurări (figura 3).
Figura 3: Există și alte capacitanțe ale transformatorului în afară de prima capacitanță (Cps1) aflată între înfășurări. (Sursa imaginii: Power Sources Manufacturers Association)
Această capacitanță nedorită permite circulația curentului de scurgere, iar valoarea sa este o funcție de multe variabile, cum ar fi dimensiunea cablului, 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 ale transformatorului, alte surse de capacitanțe neintenționate sunt generate de spațiile de pe placa de circuit imprimat (PCB), izolația dintre semiconductori și radiatorul împământat și efectele parazite dintre alte componente.
Curentul de scurgere al transformatorului datorat capacitanței nu este singura problemă abordată de reglementările privind alimentarea cu energie electrică în domeniul medical. Siguranța de bază AC și izolarea reprezintă o prioritate. În funcție de nivelurile de tensiune și de putere, sursele de alimentare pot avea nevoie, de asemenea, de o a doua barieră de izolație independentă, pe lângă bariera primară (sau de o izolație întărită fizic). Performanța izolației se degradează, de asemenea, în timp, din cauza temperaturilor extreme, a stresului datorat tensiunii înalte și a supratensiunilor, deși este posibil ca aceasta să-și respecte 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 vede la multe surse de alimentare de perete și de birou.
Standarde și mijloace de protecție (MoP)
Principalul standard care reglementează electronica medicală și siguranța este IEC 60601-1. Cea mai recentă ediție (a 4-a) extinde accentul pe pacient, impunând un mijloc general de protecție (MOP) care combină unul sau mai multe “mijloace de protecție a operatorului” (MOOP – Means of operator protection) și “mijloace de protecție a pacientului” (MOPP – Means of patient protection).
Standardele de reglementare au creat, de asemenea, clase de protecție în jurul modului în care este asigurat MOOP. Acestea sunt denumite Clasă I și Clasă II și reglementează construcția și izolarea surselor de alimentare. Un produs de Clasă I are un șasiu conductiv conectat la împământarea de siguranță. Pentru a simplifica compatibilitatea cu prizele de perete locale, sursa de alimentare are o mufă IEC320-C14 care permite utilizatorului să conecteze un cablu de alimentare propriu, cu un conductor cu împământare de siguranță (figura 4, stânga).
În schimb, sursele de alimentare din Clasa II au un cablu de alimentare cu două fire fără o împământare de siguranță (figura 4, dreapta). Din cauza absenței unui șasiu cu împământare, există două straturi de izolație (sau un singur strat de izolație întărită) între utilizator și conductorii interni purtători de curent.
Figura 4: Unitățile din Clasa I (stânga) și Clasa II (dreapta) au conexiuni pentru linia de curent alternativ cu trei fire cu împământare sau cu două fire fără împământare, utilizate adesea cu prize IEC standard și cabluri de linie asigurate de utilizator. (Sursa imaginii: XP Power)
Rezultatul este că orice sursă AC/DC destinată aplicațiilor medicale și certificată ca fiind de Clasă I sau de Clasă II trebuie să fie special proiectată și testată în conformitate cu standardele corespunzătoare. Din fericire, furnizorii de surse de alimentare, precum XP Power, înțeleg aspectele tehnice, de fabricație și de certificare necesare pentru a livra surse care să respecte aceste standarde.
Dimensiunea contează
Cerințele tehnice și normele de reglementare impuse surselor medicale AC/DC nu se referă la dimensiunea fizică, dar, totuși, dimensiunea este importantă. Sursele de mari dimensiuni complică aranjamentul operațional la fața locului unde spațiul este limitat, cum ar fi într-o ambulanță sau într-un cadru clinic unde spațiul pentru căruciorul mobil și pentru birou este limitat.
Reducerea dimensiunii sursei de alimentare AC/DC ar fi benefică în aceste situații, dar reprezintă o provocare. Dimensiunile minime ale sursei de alimentare sunt limitate de necesitatea de a respecta liniile directoare de reglementare privind izolarea și distanțele de “creepage” și “clearance”.
O altă problemă legată de reducerea dimensiunii sursei de alimentare este disiparea termică. Dacă volumul sursei de alimentare și suprafața carcasei sunt insuficiente, temperatura internă a acesteia va fi mai mare decât în cazul unei surse mai mari, degradând componentele interne active, pasive și izolatoare. Răcirea forțată cu aer este inacceptabilă din cauza posibilelor blocaje ale fluxului de aer, a problemelor de fiabilitate pe termen lung și a zgomotului ambiental suplimentar.
În plus, căldura generată poate determina creșterea temperaturii la suprafața carcasei sursei de alimentare dincolo de ceea ce este acceptabil, punând pacienții și operatorii în pericol. Cheia pentru reducerea dimensiunii surselor de alimentare este utilizarea unor componente adecvate de comutare a circuitului pentru a minimiza căldura generată.
În acest caz, dispozitivele cu comutație bazate pe GaN oferă avantaje distincte față de siliciu (Si). Rezistența lor serie mai mică, timpii de comutare mai rapizi și sarcina de recuperare inversă mai mică reduc pierderile, ceea ce duce la o sursă cu comutație mai eficientă, mai rece și mai compactă.
Un exemplu este modelul AQM200PS19, de la XP-Power, un membru al seriei AQM. Sursa este clasificată pentru operare la 19 volți/10,6 amperi (A) Clasa I. Unitatea măsoară aproximativ 167 × 54 × 33 milimetri (mm), ceea ce reprezintă jumătate din dimensiunea unei surse tradiționale cu aceste valori nominale și cântărește doar 600 de grame (g) (figura 5).
Figura 5: AQM200PS19 este o sursă de alimentare de Clasă I de 200W, care livrează 19V la o intensitate a curentului de până la 10,6A cu o eficiență de 92%. (Sursa imaginii: XP Power)
Această sursă de alimentare externă este în totalitate aprobată conform standardelor medicale internaționale. Parametrii electrici includ un curent de scurgere către pacient mai mic de 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 atât în versiunea Clasă I, cât și Clasă II, alimentarea este clasificată pentru operare între 0° și 60°C. Dispune de o carcasă complet etanșă, conformă cu clasificarea IP22, iar finisajul neted al suprafeței sale facilitează curățarea mai ușoară în mediile medicale.
Pentru sistemele de putere mai mare, XP Power oferă modelul AQM300PS48-C2, o sursă de 300W, Clasă II, cu o putere de ieșire de 48 V/6,25 A și un consum de energie în standby sub 0,5 W. Deși este puțin mai mare, această sursă este, totuși, compactă, având doar 183 × 85 × 35 mm și o greutate de 1.050 g.
Pentru o putere nominală de 250 de wați, XP Power oferă AQM250PS24, o sursă de alimentare de 24 Volți/10,4 A, Clasă 1, cu un consum de putere în standby sub 0,15 wați. Aceasta măsoară 172 × 67,1 × 32 mm.
Concluzie
Sursele de alimentare AC/DC externe și autonome destinate echipamentelor medicale trebuie să îndeplinească cerințe stricte de reglementare, operare, performanță, siguranță și eficiență. Seria AQM de surse de alimentare externe pentru uz medical de la XP Power depășește aceste cerințe folosind dispozitive GaN, rezultând o carcasă totală care este la jumătate din dimensiunea unei unități clasice bazate pe Si.
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie. Înainte de DigiKey, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria.
DigiKey | https://www.digikey.ro
