Använd GaN-enheter för att göra växel-/likströmsaggregat för medicintekniskt bruk mindre

Trots framsteg inom batteriteknik och kretsar med låg strömförbrukning är medicintekniska system en av många tillämpningar där helt sladdlösa konstruktioner med enbart batterier kanske inte är genomförbara, praktiska eller godtagbara. Utrustningen måste istället ofta drivas direkt med växelström eller åtminstone kunna förlita sig på ett växelströmsuttag för drift när batterinivån är låg.

Förutom att uppfylla grundläggande specifikationer för växel-/likströmsaggregat måste medicintekniska nätaggregat uppfylla bestämmelser för mindre uppenbara prestandafaktorer som t.ex galvanisk isolering, märkspänning, läckström och skyddsmekanismer (MOP). Dessa standarder finns för att garantera att den enhet som strömförsörjs inte utsätter operatören eller patienten för någon risk, även om det uppstår fel i matningen eller belastningen. Samtidigt måste konstruktörer av nätaggregat för medicintekniskt bruk ständigt förbättra effektiviteten och minska storleken och vikten.

Artikeln diskuterar användningen av externa växel-/likströmsmatningar i medicintekniska instrument och tillhörande standarder. Därefter presenteras produkter från XP Power som konstruktörer kan använda för att uppfylla dessa standarder, samtidigt som de drar nytta av nätaggregat av galliumnitrid (GaN) för att minska aggregatets fysiska storlek med nästan hälften.

Grundläggande krav för utformning av nätaggregat

Valet av växel-/likströmsaggregat börjar med de vanliga prestandamåtten för nätaggregat. Nätaggregatet måste tillhandahålla den nominella likspänningen och kunna leverera den märkström vid den spänning som krävs för att klara belastningen. Ett universellt nätaggregat måste kunna hantera en stor mängd växelspänningsmatningar (normalt 85 VAC till 264 VAC) vid frekvenser på 47 till 63 Hz.

Dessa nominella värden för in- och utspänning är viktiga, men inte tillräckliga för att definiera ett nätaggregat helt och hållet. Andra överväganden inkluderar:

• Dynamiska prestandaegenskaper, som t.ex. startfördröjning, starttid, hålltid, linje- och belastningsreglering, transientrespons, rippel och brus samt överslag
• Skydd mot överbelastning, kortslutning och övertemperatur
• Effektivitetskrav, som är en funktion av nätaggregatets maximala märkeffekt måste ha specifika värden längs belastningskurvan, inklusive punkter för full belastning, låg belastning och ingen belastning
• En effektfaktor (PF) nära enhetlighet, där det specifika värdet för effektfaktorn är en funktion av effektnivån och den styrande regleringsstandarden
• Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), som kännetecknar försörjningen maximala elektromagnetiska störningar (EMI)/radiofrekvensstörningar (RFI) samt dess känslighet för elektrostatisk urladdning (ESD), utstrålad energi, energistormar, överspänningar och magnetfält.
• Säkerhet, som definierar grundläggande krav för att skydda användaren och utrustningen, inklusive isoleringsspänning mellan in- och utspänning, inspänning till jord och utspänning till jord.

Krav på nätaggregat för medicintekniskt bruk

Ytterligare standarder och regelverk gör det ännu svårare att utvärdera ett nätaggregat för medicintekniska tillämpningar. Det handlar främst om patient- och operatörssäkerhet, där man ser till att nätaggregatet inte utsätter någon av dem för risker vid ett enkelt eller till och med dubbelt fel.

En stor del av oron gäller parasistära strömmar eller läckströmmar. En vanlig nätspänning (110/230 V vid 50 eller 60 Hz) över bröstkorgen, även under en bråkdel av en sekund, kan framkalla kammarflimmer vid så låga strömmar som 30 mA. Om strömmen har en direkt väg till hjärtat, som t.ex. via en hjärtkateter eller annan elektrod, kan en mycket lägre ström på mindre än 1 mA (AC eller DC) orsaka flimmer.

Detta är några standardgränsvärden som ofta anges för ström genom kroppen via hudkontakt, och riskvärdena är betydligt lägre vid invändig kontakt:

• 1 mA: Knappt märkbart
• 16 mA: Den högsta strömstyrka som en person av normalstorlek kan ta tag i och "släppa".
• 20 mA: Förlamning av andningsmuskulaturen
• 100 mA: Gränsvärde för kammarflimmer.
• 2 A: Hjärtstillestånd och skador på inre organ.

Risknivåerna är även en funktion av strömmens väg genom två kontaktpunkter på kroppen, t.ex. tvärs över/genom bröstet eller från en arm ner till fötterna. Därför är det viktigt att minimera läckströmmar som passerar genom den dielektriska isoleringen i en isolerande växelströmstransformator.

Det kan tyckas att mängden läckström skulle vara försumbar med tillräcklig kvalitet på isoleringen. Men även om detta läckage kan vara ström som fysiskt "läcker" igenom på grund av att isoleringen inte är perfekt, kan det även bero på kapacitivt kopplade strömmar som kan passera även exceptionell isolering.

En förenklad modell av en perfekt transformator visar perfekt galvanisk (ohmsk) isolering mellan primär- och sekundärsida( figur 1).

Figur 1: A grundläggande modell av en transformator visar att det inte finns någon strömväg från primär- till sekundärsidan. (Bildkälla: Power Sources Manufacturers Association)

Med en perfekt transformator kan ingen ström flöda direkt från växelströmsnätet till den strömförsörjda produkten för att bilda en komplett strömslinga tillbaka till växelströmsnätet, även om ett komponent- eller ledningsfel skapar en ny strömväg på sekundärsidan. Ingen transformator är dock perfekt, och kapacitans i mellanlindningen mellan primär- och sekundärsida är förväntad (figur 2).

Figur 2: En mer realistisk modell visar den grundläggande kapacitansen (C_ps1) mellan primär- och sekundärsidan. (Bildkälla: Power Sources Manufacturers Association)

En mer sofistikerad modell lägger till ytterligare källor till kapacitans mellan lindningarna (figur 3).

Figur 3: Det finns andra kapacitanser utöver den första mellanlindningen (C_ps1 i en transformator). (Bildkälla: Power Sources Manufacturers Association)

Denna oönskade kapacitans gör det möjligt för läckströmmen att flöda, och dess värde beror på många variabler, som t.ex. trådstorlek, lindningsmönster och transformatorns geometri. Värdet kan variera från så lite som en picofarad (pF) till några mikrofarad (µF). Förutom transformatorns kapacitiva läckage finns det andra källor till oavsiktliga kapacitanser: mellanrum på kretskort, isolering mellan halvledare och jordade kylflänsar samt parasitära kapacitanser mellan andra komponenter.

Läckströmmar i transformatorn på grund av kapacitans är inte det enda problemet med medicintekniska nätaggregat som bestämmelserna hanterar. Grundläggande säkerhet och isolering av växelströmmen är en prioritet. Beroende på spännings- och strömnivåerna kan ett aggregat behöva en andra, oberoende isolationsbarriär utöver den primära (eller fysiskt förstärkta isoleringen). Isoleringens prestanda försämras även med tiden, på grund av extrema temperaturer, påfrestningar från högspänningar och överspänningar, även om den fortfarande kan uppfylla sin klassificering.

Det första lagret isolering brukar kallas "grundisolering". Ett exempel är isolering av ledningar. Det andra lagret är ofta ett isolerat hölje, vilket förekommer i många väggmonterade och stationära nätaggregat.

Standarder och skyddsmedel (MOP)

Den primära standarden för medicinteknisk elektronik och säkerhet är IEC 60601-1. Den senaste (^4:e) utgåvan utökar fokuset på patienen genom att kräva en övergripande skyddsanordning (MOP) som kombinerar en eller flera "anordningar för operatörsskydd" (MOOP) och "anordningar för patientskydd" (MOPP).

Standarden har även skapat skyddsklasser kring hur MOOP tillhandahålls. Dessa benämns klass I och klass II och reglerar konstruktion och isolering av nätaggregat. En produkt i klass I har ett ledande chassi som är anslutet till skyddsjord. För att förenkla kompatibiliteten med lokala väggkontakter har nätaggregatet ett IEC320-C14-uttag för en medföljande nätkabel med en ledare för skyddsjord (figur 4, vänster).

Nätaggregat i klass II har däremot en nätkabel med två ledare och en anslutning till skyddsjord (bild 4, höger). Eftersom det inte finns något jordat hölje, finns det två lager isolering (eller ett enda lager med förstärkt isolering) mellan användaren och de invändiga strömförande ledarna.

Figur 4: Enheter i klass I (vänster) och klass II (höger) har jordade växelströmsanslutningar med tre ledare eller ojordade växelströmsanslutningar med två ledare, som ofta används med standard IEC-uttag och sladdar som tillhandahålls av användaren. (Bildkälla: XP Power)

Resultatet är att alla växel-/likströmsaggregat som är avsedda för medicinska tillämpningar och certifierade i antingen klass I eller klass II måste vara särskilt konstruerade och testade enligt relevanta standarder. Lyckligtvis förstår leverantörer av nätaggregat som XP Power de frågor kring teknik, tillverkning och certifiering som krävs för att leverera nätaggregat som uppfyller dessa standarder.

Storleken har också betydelse

De tekniska krav och föreskrifter som gäller för växel-/likströmsaggregat för medicintekniskt bruk är inte kopplade till fysisk storlek, men storleken har betydelse. Stora aggregat komplicerar driften på den plats där utrymmet är begränsat, som t.ex. i en ambulans eller en klinisk miljö där utrymmet för mobila vagnar och skrivbordsytan är begränsad.

Att minska storleken på växel-/likströmsaggregatet skulle vara fördelaktigt i dessa situationer, men det är en utmaning. Minimimått för leverans begränsas av behovet av att följa lagstadgade riktlinjer för isolering, krypningsavstånd och fritt avstånd.

Ett annat problem med att göra aggregatet mindre är värmeavledningen. Om aggregatets volym och yta är otillräckliga kommer dess inre temperatur att vara högre än i ett större aggregat, vilket försämrar de invändiga aktiva, passiva och isolerande komponenterna. Fläktkylning är oacceptabelt på grund av potentiella blockeringar av luftflödet, långsiktiga tillförlitlighetsproblem och ökat buller i omgivningsmiljön.

Den genererade värmen kan dessutom leda till att ytans temperatur stiger mer än vad som är acceptabelt, vilket utsätter patienter och operatörer för risk. Nyckeln till att göra aggregatet mindre är att använda lämpliga switchningskomponenter för att minimera värmeutvecklingen.

Det är här som GaN-baserade switchningsenheter har tydliga fördelar jämfört med kisel (Si). Lägre serieresistans, snabbare switchningstider och lägre återhämtningsladdning minskar förlusterna, för att ge ett effektivare, svalare och mer kompakt switchat aggregat.

Ett exempel är AQM200PS19, som ingår i AQM-serien från XP-Power. Nätaggregatet är klassat för 19 V/10,6 A i klass I-drift. Enheten har måtten 167 x 54 x 33 mm, vilket är hälften så mycket som ett traditionellt aggregat med dessa egenskaper, och väger bara 600 g (figur 5).

Bild 5: AQM200PS19 är en enhet i klass I för 200 W som ger 19 V vid upp till 10,6 A med 92 % verkningsgrad. (Bildkälla: XP Power)

Detta externa nätaggregat är helt godkänt enligt internationella medicintekniska standarder. De elektriska parametrarna inkluderar en patientläckström som är mindre än 100 µA, en typisk verkningsgrad på 92%, en strömförbrukning i viloläge på mindre än 0,15 W och en effektfaktor på >0,9.

Det finns i modeller för både klass I och klass II, och är klassificerat för drift mellan 0 °C och 60 °C. Det har ett helt förseglat hölje som uppfyller kraven i IP22, och den släta ytan underlättar rengöring i medicintekniska miljöer.

För system med högre effekt finns AQM300PS48-C2 från XP Power, en enhet i klass II för 300 W med en utgång på 48 V/6,25 A och en strömförbrukning i viloläge på under 0,5 W. Även om den är något större är den fortfarande kompakt med sina 183 x 85 x 35 mm och en vikt på 1050 g.

I effektklassificeringen 250 W finns AQM250PS24 från XP Power, som är ett nätaggregat i klass I på 24 V/10,4 A med en strömförbrukning i viloläge på under 0,15 W. Den har måtten 172 x 67,1 x 32 mm.

Sammanfattning

Externa, fristående växel-/likströmsaggregat för medicinteknisk utrustning måste uppfylla stränga krav på reglering, drift, prestanda, säkerhet och verkningsgrad. Serien AQM med medicinklassificerade externa nätaggregat från XP Power överträffar dessa krav med hjälp av GaN-enheter, vilket medför ett övergripande paket som är hälften så stort som en klassisk Si-enhet.