Välja och använda den optimala DC/DC-omvandlaren i medicintekniska tillämpningar

Det är komplicerat att konstruera en strömförsörjning som drivs med nätström eller batteri. Konstruktören måste utveckla en lösning som ger en stabil spänning och ström för varierande belastningar samtidigt som den arbetar effektivt för att minimera effektförlusten. Men när strömförsörjningen är avsedd för en medicinteknisk produkt blir konstruktionen mer komplicerad till följd av elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), strikta säkerhetskrav när det gäller elektrisk kontakt med en patient och skydd mot elektromagnetiska störningar (EMI).

Att uppfylla dessa krav är kostsamt och tidskrävande för konstruktörer som utvecklar medicintekniska strömförsörjningar från grunden. Kommersiella modulära DC/DC-omvandlare är ett alternativ, men man måste vara försiktig när man väljer och använder dessa lösningar.

Artikeln beskriver kortfattat DC/DC-omvandlarens roll i en strömförsörjningskrets och redogör för urvalskriterierna och de speciella överväganden som krävs i medicintekniska tillämpningar. Därefter presenteras exempel på enheter från XP Power och en tillämpningsmodell visas.

DC/DC-omvandlarens roll

Även om batterier har en märkspänning, så påverkas spänningen av faktorer som laddningstillstånd, toppbelastning och temperatur. En viktig egenskap är att utspänningen sjunker när batteriet laddas ur. Integrerade kretsar och andra känsliga komponenter kräver dock en jämn spänning för att fungera korrekt. En DC/DC-omvandlare erbjuder en lösning genom att reglera inspänningen för att ge en tillförlitlig och konsekvent utspänning (eller utspänningar) för att driva slutprodukten.

DC/DC-omvandlare är vanliga även i nätdrivna produkter. En första AC/DC-omvandlare reglerar växelströmsnätet till en likspänning med en eller flera DC/DC-omvandlare. Därefter sker ytterligare reglering för att få spänningen till en nivå som är lämplig för slutprodukten.

Topologier för DC/DC-omvandlare kan vara linjära eller switchande. Linjära regulatorer är enkla och robusta enheter, men deras verkningsgrad minskar när skillnaden mellan in- och utspänning ökar. Linjära regulatorer kan dessutom bara sänka (buck), och inte höja (boost) eller invertera en spänning. Eftersom det inte går att öka spänningen finns det outnyttjad potential i batterierna.

Switchande spänningsregulator använder en switchande del som är pulsbreddsmodulerad (PWM) och vanligtvis består av en eller två MOSFET:ar i kombination med en eller två induktorer och kondensatorer för energilagring och filtrering. De främsta anledningarna till att konstruktörer väljer switchande spänningsregulatorer är hög verkningsgrad och hög effekttäthet. Regulatorerna kan dessutom höja, sänka och invertera spänningar.

Utmaningarna för konstruktörer som använder switchande spänningsregulatorer är komplexitet, kostnad och potentiella problem med elektromagnetiska störningar grund av de switchande delarna. Det är möjligt att konstruera en switchande DC/DC-regulator från grunden, och ett sådant tillvägagångssätt kan spara en del kostnader och utrymme, men det är komplicerat och tidskrävande. Ett alternativ är att välja bland det stora utbudet av kommersiella moduler, som t.ex. serien JMR från XP Power, som integrerar den switchade spänningsregulatorns primära delar i en enda enhet som är kompakt, tillförlitlig och lätt att konstruera in i en produkt (figur 1).

Figur 1: Modulära enheter i serien JMR integrerar de primära delarna i en switchad DC/DC-regulator i en enda enhet som är kompakt, tillförlitlig och lätt att konstruera in. (Bildkälla: XP Power)

Välja en DC/DC-omvandlare

Det finns många faktorer att överväga när man väljer en DC/DC-omvandlare. Vissa är uppenbara, som t.ex. att tillämpningen bestämmer in- och utspänning samt in- och utström. Andra är mer nyanserade. För att maximera verkningsgraden, måste man exempelvis ta hänsyn till slutproduktens typiska belastningsprofil. Konstruktören bör även undersöka kurvorna för verkningsgrad i databladet för de DC/DC-omvandlare som valts ut, för att säkerställa att slutprodukten arbetar med omvandlarens bästa verkningsgrad.

JMR1024S05 från XP Power är ett bra exempel på en DC/DC-omvandlare för en medicinteknisk tillämpning. Omvandlaren är en extremt kompakt, kretskortsmonterad medicinteknisk produkt med måtten 20,3 x 31,8 x 10,2 mm, med 3 mm genomgående hål. Den har en utspänning på 5 V från en nominell inspänning på 24 V (min. 9 V, max. 36 V). Modulen har en maximal utström på 2 A och en inström vid full belastning på 491 mA. Utspänningen rippel är 75 mV topp till topp, och verkningsgraden är 84,9 %.

Modulen har en låg strömförbrukning utan belastning på 6 mA, vilket ökar verkningsgraden och minskar strömförbrukningen. En ytterligare besparing av strömförbrukningen på 3 mA utan belastning kan göras genom att blockera modulen utifrån (figur 2). Modulen är på om stift 1 är bruten; modulen är av om stift 1 är anslutet till en strömkälla på 2 till 4 mA, eller om 2,2 till 12 V appliceras på stift 1 i förhållande till stift 2.

Figur 2: Strömförbrukningen utan belastning hos JMR1024S05 kan minskas till 3 mA genom extern blockering av modulen. (Bildkälla: XP Power)

XP Power erbjuder alternativ i sin serie för 10 W. JMR1048S12 drivs exempelvis av en nominell inspänning på 48 V (18 V till 75 V) och ger en utspänning på 12 V med en maximal utström på 833 mA. Inströmmen vid full belastning är 237 mA, och vid drift i detta läge är verkningsgraden 88 %.

JMR1012D15 drivs exempelvis av en nominell inspänning på 12 V (4,5 V till 18 V) och ger en utspänning på ±15 V med en maximal utström på 333 mA. Inströmmen vid full belastning är 957 mA, och vid drift i detta läge är verkningsgraden 87 %.

Switchningsfrekvensen för serien JMR 10 W är 300 kHz.

Särskilda krav för medicintekniska tillämpningar

Medicintekniska produkter kräver mer av en DC/DC-omvandlare eftersom de elektriska komponenter som används i slutprodukterna omfattas av den strikta medicinska säkerhetsstandarden IEC 60601-1.

Enligt IEC 60601-1 definieras "tillämpad del" som den del av den medicintekniska produkten som kommer i direkt kontakt med en patient, eller som har delar som sannolikt kommer i kontakt med patienten vid produktens normala användning. Standarden definierar tillämpade delar beroende på typen av patientkontakt och den medicintekniska produktens karaktär.

Klassificering enligt typ B ges till applicerade delar som i allmänhet är icke-ledande och kan anslutas till jord. Typ BF (potentialfri för kropp) ges till applicerade delar som är elektriskt anslutna till patienten och måste vara potentialfria eller separerade från jord. Typ BF omfattar inte applicerade delar med direktkontakt med hjärtat. Typ CF (potentialfri för hjärta) är en klassificering som ges till applicerade delar som är lämpliga för direkt anslutning till hjärtat. Applicerade delar av typ CF måste vara potentialfria och separerade från jord.

Patientanslutna medicintekniska produkter måste ha skyddsmekanismer (MOP) för att förhindra att applicerade delar (och andra åtkomliga delar) överskrider gränserna för spänning, ström eller energi. En jordanslutning som uppfyller kraven ger 1 x MOP, grundläggande isolering ger också 1 x MOP och förstärkt isolering ger 2 x MOP.

MOP kan vidare kategoriseras som medel för operatörsskydd (MOOP) och medel för patientskydd (MOPP). I enheter som är avsedda för patientanslutning krävs 2 x MOPP.

Strömförsörjning för medicintekniska produkter med klassificering enligt typ BF och CF måste tillhandahålla 2 x MOPP från primärsida till sekundärsida och 1 x MOPP från primärsida till jord. Ytterligare säkerhetsisolering för respektive sekundär utspänning från strömförsörjning till jord måste också vara klassificerad som 1 x MOPP för den högst klassificerade inkommande matningens växelspänning. Tabell 1 visar avstånd i luft, krypströmsavstånd och testspänningar för enkel (1 x MOP) och förstärkt (2 x MOP) isolering i både MOOP- och MOPP-tillämpningar.

Tabell 1 visar avstånd i luft, krypströmsavstånd och testspänningar för enkel (1 x MOP) och förstärkt (2 x MOP) isolering i både MOOP- och MOPP-tillämpningar. (Tabellkälla: XP Power)

Utöver MOP för MOOP- och MOPP-tillämpningar måste strömförsörjningen för en medicinteknisk enhet vara konstruerad så att den begränsar beröringsströmmen, extern ström och läckström för patienten. De högsta tillåtna värdena för beröringsströmmen är 100 μA vid normala förhållanden och 500 μA vid ett enskilt feltillstånd (SFC). Kravet begränsar i princip systemets jordfelsström till 500 μA vid normal drift.

Kraven på beröringsström, extern ström och läckström för patienten utgör en utmaning för konstruktörerna. De måste se till att strömförsörjningen ger den säkerhetsisolering som krävs samtidigt som läckströmmar minimeras vid normal drift och skyddar vid felförhållanden genom att isolera patienten från jord.

Slutligen måste den medicintekniska produkten uppfylla de EMC-krav som anges i IEC 60601-1-2. Kraven syftar till att förbättra utrustningens immunitet mot de många trådlösa kommunikationsenheter som används i närheten av viktig livsuppehållande utrustning. Det sekundära syftet med kraven är att ge vägledning om elektromagnetiska störningar för utrustning som används utanför sjukhuset, där kontrollen över den elektromagnetiska störningsmiljön tenderar att vara mindre.

Användning av en DC/DC-omvandlare som ett andra isoleringssteg

Konstruktionsutmaningarna med särskilda medicintekniska krav kan minskas genom att noggrant välja en DC/DC-omvandlare för att införa ett andra isoleringssteg. Genom att lägga till detta steg får man en grundläggande isolering vid växelspänningsmatning. Den minimerar även kapacitansen mellan in- och utspänning (till cirka 20-50 pF), vilket i sin tur minskar patientens lokala läckström till bara några få mikroampere (fig. 3).

Figur 3: En godkänd DC/DC-omvandlare (höger) kan användas för spänningsreglering till den applicerade delen samtidigt som den ger sekundär isolering för 1 x MOPP och minimerar potentiella läckströmmar för patienten. (Bildkälla: XP Power)

DC/DC-omvandlaren på 10 W i serien JMR från XP Power beskrivs ovan, har ett godkännande enligt IEC60601-1 för medicinsk säkerhet, 2 x MOPP 5 kV växelspänningsförstärkt isolering, 17 pF isoleringskapacitans och 2 μA läckström för patienten, vilket möjliggör enkel integration i ett stort utbud av medicintekniska BF- och CF-tillämpningar.

Filtrering mot elektromagnetiska störningar, som krävs för att slutprodukten ska uppfylla kraven i IEC 60601-1-2, kan läggas till i kretsen mellan det medicintekniska systemet, reglagen och DC/DC-omvandlaren utan att kompromissa med isolering eller låga läckströmmar. Figur 4 visar rekommenderade EMC-filterkretsar för överspänning och snabba elektriska transienter (EFT) samt EMI klass B.

Bild 4: Här visas rekommenderade EMC-filterkretsar för överspänning och EFT samt EMI klass B för användning med DC/DC-omvandlare i serien JMR10. (Bildkälla: XP Power)

Tabell 2 visar rekommenderade komponentvärden för kretsarna när serien JMR10 används med inspänningar på 12, 24 och 48 V.

Tabell 2: Här visas rekommenderade komponentvärden för de kretsar som visas i figur 4. (Tabellkälla: XP Power)

Sammanfattning

Modulära och högintegrerade DC/DC-omvandlare förenklar konstruktionen av tillförlitliga och högeffektiva strömförsörjningar för medicintekniska system. Konstruktörer måste dock noggrant välja en enhet med certifiering enligt IEC 60601-1 för att säkerställa att den uppfyller standardens krav på operatörs- och patientsäkerhet samt EMC.