Wykorzystanie urządzeń wykonanych z azotku galu (GaN) do minimalizacji zewnętrznych medycznych zasilaczy prądu zmiennego-stałego

Oprócz spełnienia podstawowych specyfikacji parametrów działania zasilaczy prądu zmiennego-stałego, zasilacze medyczne muszą być zgodne z wymogami prawnymi w odniesieniu do mniej oczywistych aspektów działania, takich jak izolacja galwaniczna, napięcia znamionowe, prąd upływu i środki ochrony (MOP). Ich celem jest zapewnienie, że zasilane urządzenie nie narazi operatora ani pacjenta na niebezpieczeństwo, nawet w przypadku awarii zasilania lub odbiornika. Jednocześnie projektanci zasilaczy medycznych muszą stale zwiększać sprawność oraz zmniejszać rozmiary i wagę urządzeń.

W niniejszym artykule omówiono wykorzystanie zewnętrznych zasilaczy prądu zmiennego-stałego w przyrządach medycznych i omówiono związane z tym normy regulacyjne. Następnie przedstawiono produkty firmy XP Power, które projektanci mogą zastosować, w celu spełnienia wspomnianych norm i jednocześnie wykorzystać zalety urządzeń zasilających na bazie azotku galu (GaN), aby zmniejszyć fizyczne rozmiary zasilacza prawie o połowę.

Podstawowe wymagania projektowe dotyczące zasilaczy

Dobór zasilacza prądu zmiennego-stałego rozpoczyna się od standardowych parametrów działania zasilacza. Zasilacz musi dostarczać znamionowe napięcie prądu stałego i prąd znamionowy przy tym napięciu, wystarczające dla danego odbiornika. Zasilacz uniwersalny musi obsługiwać szeroki zakres napięć wejściowych prądu zmiennego (zwykle od 85V~ do 264V~) przy częstotliwościach od 47 do 63Hz.

Te znamionowe napięcia i prądy wejściowe oraz wyjściowe są krytyczne, ale niewystarczające do pełnego zdefiniowania zasilacza. Inne względy projektowe to:

• Parametry dynamiczne, takie jak opóźnienie rozruchu, czas narastania rozruchu, czas podtrzymania, regulacja linii i odbiornika, odpowiedź impulsowa, tętnienia i szumy oraz przeregulowanie
• Ochrona przed przeciążeniami, zwarciami i nadmierną temperaturą
• Wymagania dotyczące sprawności, które są funkcją maksymalnej mocy znamionowej zasilacza i muszą mieć określone wartości zgodnie z krzywą obciążenia, z uwzględnieniem punktów pełnego obciążenia, niskiego obciążenia i braku obciążenia
• Współczynnik mocy (PF) bliski jedności, przy czym konkretna wartość współczynnika mocy (PF) jest funkcją poziomu mocy i normy regulacyjnej
• Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC), która charakteryzuje maksymalne zakłócenia elektromagnetyczne i zakłócenia o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI) zasilacza, a także jego podatność na wyładowania elektrostatyczne (ESD), energię promieniowaną, impulsy energii, udary linii i pola magnetyczne
• Bezpieczeństwo, które określa podstawowe wymagania dotyczące ochrony użytkownika i sprzętu, w tym napięcie izolacji pomiędzy wejściem i wyjściem, wejściem i ziemią oraz wyjściem i ziemią

Wymagania dotyczące zasilaczy medycznych

Dodatkowe normy i przepisy prawne jeszcze bardziej komplikują ewaluację zasilaczy do zastosowań medycznych. Dotyczą one przede wszystkim bezpieczeństwa pacjenta i operatora, zapewniając, że zasilacz nie będzie stwarzał dla nich zagrożenia w przypadku pojedynczej, czy nawet podwójnej usterki.

Większość problemów dotyczy prądów błądzących lub upływu. Standardowe napięcie sieciowe (110/230V; 50 lub 60Hz) oddziałujące zaledwie przez ułamek sekundy w poprzek klatki piersiowej może wywołać migotanie komór serca przy prądzie zaledwie 30mA. Jeśli prąd znajdzie bezpośrednią drogę do serca, np. przez cewnik serca lub inną elektrodę, migotanie może spowodować prąd o znacznie niższym natężeniu, mniejszym niż 1mA (prądu zmiennego lub stałego).

Oto niektóre standardowe wartości progowe, które często są podawane w odniesieniu do prądu przepływającego przez ciało w kontakcie ze skórą, przy czym w przypadku kontaktu wewnętrznego, wartości niebezpieczne są znacznie niższe:

• 1mA: oddziaływanie ledwie odczuwalne
• 16mA: maksymalne natężenie prądu, które przeciętna osoba może złapać i „puścić”
• 20mA: paraliż mięśni oddechowych
• 100mA: wartość progowa migotania komór
• 2A: zatrzymanie akcji serca i uszkodzenia organów wewnętrznych

Przytoczone poziomy ryzyka również są funkcją drogi przepływu prądu przez dwa punkty kontaktu z ciałem - w poprzek klatki piersiowej lub przez nią, lub od ramienia do stóp. Dlatego minimalizacja prądów upływu, które przepływają przez izolację dielektryczną transformatora izolacyjnego prądu zmiennego ma znaczenie krytyczne.

Może się wydawać, że przy odpowiedniej jakości izolacji, wielkość prądu upływu byłaby pomijalna. Chociaż ten prąd upływu może fizycznie „przeciekać” ze względu na niedoskonały charakter izolacji, może również wynikać z prądów sprzężonych pojemnościowo, które mogą pokonywać nawet wyjątkowo dobrą izolację.

Uproszczony model transformatora charakteryzuje się idealną izolacją galwaniczną (oporową) pomiędzy stroną pierwotną i wtórną (ilustracja 1).

Ilustracja 1: podstawowy model transformatora charakteryzuje się tym, że pomiędzy stroną wtórną i pierwotną nie występuje droga przepływu prądu. (Źródło ilustracji: Power Sources Manufacturers Association)

W przypadku idealnego transformatora, z sieci elektrycznej prądu zmiennego do zasilanego urządzenia nie może występować bezpośredni przepływ prądu, na skutek czego tworzy się pełna pętla umożliwiająca przepływ prądu z powrotem do sieci prądu zmiennego, nawet w przypadku wytworzenia nowej drogi prądu po stronie wtórnej w wyniku awarii komponentu lub okablowania. Jednak żaden transformator nie jest idealny, dlatego między uzwojeniami pierwotnymi i wtórnymi występuje pewna pojemność (ilustracja 2).

Ilustracja 2: bardziej realistyczny model z podstawową pojemnością międzyuzwojeniową (Cps1) pomiędzy stroną pierwotną i wtórną. (Źródło ilustracji: Power Sources Manufacturers Association)

W bardziej zaawansowanym modelu obecne są dodatkowe źródła pojemności międzyuzwojeniowej, (ilustracja 3).

Ilustracja 3: oprócz pierwszej pojemności międzyuzwojeniowej (Cps1) istnieją też inne pojemności transformatora. (Źródło ilustracji: Power Sources Manufacturers Association)

Ta niepożądana pojemność umożliwia przepływ prądu upływu, a jej wartość jest funkcją wielu zmiennych, takich jak rozmiar przewodu, sposób nawijania i geometria transformatora. Wartość może wahać się od jednego pikofarada (pF) do kilku mikrofaradów (µF). Poza pojemnościowym upływem transformatora, istnieją inne źródła niezamierzonych pojemności, takie jak odstępy na płytkach drukowanych, izolacja pomiędzy półprzewodnikami i uziemionymi radiatorami oraz pojemności pasożytnicze między innymi komponentami.

Prąd upływu transformatora wynikający z pojemności nie jest jedynym zagadnieniem omawianym w przepisach dotyczących zasilaczy klasy medycznej. Priorytetami są podstawowe bezpieczeństwo prądu zmiennego i izolacja. W zależności od napięcia i poziomu mocy, oprócz bariery podstawowej, omawiane zasilacze mogą wymagać dodatkowej, niezależnej bariery izolacyjnej (lub fizycznie wzmocnionej izolacji). Parametry izolacji również pogarszają się z upływem czasu z powodu ekstremalnych temperatur, naprężeń spowodowanych wysokim napięciem i udarami napięciowymi, choć nie muszą spadać poniżej parametrów znamionowych.

Pierwsza warstwa izolacji jest zwykle nazywana „izolacją podstawową”. Przykładem jest izolacja przewodów. Druga warstwa jest często izolowaną obudową, jak ma to miejsce w wielu zasilaczach ściennych i biurkowych.

Normy i środki ochrony (MOP)

Podstawową normą regulującą bezpieczeństwo i elektronikę medyczną jest IEC 60601-1. Najnowsze wydanie (4), rozszerza zakres poza pacjenta, wymagając ogólnych środków ochrony (MOP), które łączą w sobie co najmniej jeden „środek ochrony operatora” (MOOP) i „środek ochrony pacjenta” (MOPP).

Normy regulacyjne określają również klasy ochrony dotyczące sposobu zapewniania środków ochrony operatora (MOOP). Są one oznaczane jako klasa I oraz klasa II i regulują konstrukcję oraz izolację zasilaczy. W przypadku produktu klasy I, mamy obudowę przewodzącą podłączoną do uziemienia ochronnego. Aby uprościć zgodność z lokalnymi wtyczkami do gniazd ściennych, zasilacz wyposażono w gniazdo IEC320-C14 do podłączania zapewnianego przez użytkownika sznura zasilającego z uziemieniem ochronnym (ilustracja 4, po lewej).

Natomiast zasilacze klasy II mają dwużyłowy sznur zasilający z uziemieniem ochronnym (ilustracja 4, po prawej). Ze względu na brak uziemionej obudowy, przewidziano dwie warstwy izolacji (lub jedną warstwą wzmocnionej izolacji) pomiędzy użytkownikiem a wewnętrznymi żyłami przewodzącymi prąd.

Ilustracja 4: urządzenia klasy I (po lewej) i klasy II (po prawej) posiadają uziemione trójprzewodowe lub nieuziemione dwuprzewodowe linie prądu zmiennego, często używane ze standardowymi gniazdami IEC i zapewnianymi przez użytkownika sznurami zasilającymi. (Źródło ilustracji: XP Power)

W rezultacie każdy zasilacz prądu zmiennego-stałego przeznaczony do zastosowań medycznych i posiadający certyfikat klasy I lub klasy II musi być specjalnie zaprojektowany i przetestowany zgodnie z odpowiednimi normami. Na szczęście dostawcy zasilaczy, na przykład firma XP Power, rozumieją kwestie techniczne, produkcyjne i certyfikacyjne, wymagane dla dostarczania zasilaczy spełniających te normy.

Rozmiar również ma znaczenie

Wymagania techniczne i przepisy prawne nałożone na medyczne zasilacze prądu zmiennego-stałego nie dotyczą rozmiarów fizycznych, a mimo to rozmiar jest ważny. Duże zasilacze komplikują konfigurację w miejscu działania, jeśli przestrzeń jest ograniczona - na przykład w karetkach pogotowia lub w warunkach klinicznych, gdzie przestrzeń na wózku i biurku jest ograniczona.

W takich sytuacjach korzystne byłoby zmniejszenie rozmiaru zasilacza prądu zmiennego-stałego, ale stanowi to wyzwanie. Minimalne wymiary zasilacza są ograniczone koniecznością przestrzegania przepisów dotyczących izolacji, drogi upływu i odstępów izolacyjnych.

Innym problemem związanym ze zmniejszaniem rozmiarów zasilacza jest rozpraszanie ciepła. Jeśli objętość zasilacza i powierzchnia obudowy są niewystarczające, jego temperatura wewnętrzna będzie wyższa niż w przypadku większego zasilacza, co będzie obniżać parametry działania wewnętrznych komponentów czynnych, biernych i izolacyjnych. Chłodzenie wymuszone jest niedopuszczalne ze względu na potencjalne zatory przepływu powietrza, długoterminowe problemy z niezawodnością i dodatkowy hałas emitowany do otoczenia.

Ponadto generowane ciepło może powodować wzrost temperatury powierzchni obudowy zasilającej powyżej dopuszczalnej wartości, narażając pacjentów i operatorów na ryzyko. Kluczem do zmniejszenia rozmiarów zasilaczy jest użycie odpowiednich komponentów przełączających obwodów w celu zminimalizowania ilości generowanego ciepła.

To właśnie tutaj urządzenia przełączające na bazie azotku galu (GaN) oferują wyraźną przewagę nad urządzeniami krzemowymi (Si). Niższa rezystancja szeregowa, krótsze czasy przełączania i niższy ładunek regeneracji wstecznej zmniejszają straty, zapewniając bardziej sprawne, chłodniejsze i kompaktowe zasilacze przełączające.

Przykładem jest urządzenie AQM200PS19 firmy XP-Power z serii AQM. Zasilacz jest przystosowany do pracy w klasie I z napięciem 19V i natężeniem prądu 10,6A. Urządzenie ma wymiary około 167 × 54 × 33mm, czyli jest o połowę mniejsze w porównaniu do tradycyjnego zasilacza o tych samych parametrach, a waży zaledwie 600g (ilustracja 5).

Ilustracja 5: AQM200PS19 jest urządzeniem klasy I o mocy 200W, które dostarcza napięcie 19V przy natężeniu prądu do 10,6A ze sprawnością 92%. (Źródło ilustracji: XP Power)

Omawiane zasilacze zewnętrzne posiadają pełne aprobaty zgodności z międzynarodowymi normami medycznymi. Parametry elektryczne to m.in.: prąd upływu pacjenta poniżej 100µA, typowa sprawność 92%, pobór mocy w trybie czuwania poniżej 0,15W oraz współczynnik mocy (PF) >0,9.

Dostępne zarówno w klasie I, jak i klasie II, omawiane zasilacze są przystosowane do pracy w zakresie temperatur od 0° do 60°C. Posiadają całkowicie uszczelnioną obudowę o stopniu ochrony IP22, a gładkie wykończenie jej powierzchni ułatwia czyszczenie w środowiskach medycznych.

Na potrzeby systemów o wyższych mocach, firma XP Power posiada urządzenie klasy II AQM300PS48-C2 o mocy 300W, napięciu znamionowym 48V i natężeniu znamionowym 6,25A oraz poborze mocy w trybie czuwania poniżej 0,5W. Pomimo że jest nieco większy, omawiany zasilacz nadal ma kompaktowe wymiary 183 × 85 × 35mm i waży 1050g.

Jeśli chodzi o moc znamionową 250W, firma XP Power oferuje zasilacz klasy 1 AQM250PS24 o napięciu 24V i natężeniu prądu 10,4A oraz poborze mocy w trybie czuwania poniżej 0,15W. Jego wymiary to 172 × 67,1 × 32mm.

Zewnętrzne, autonomiczne zasilacze prądu zmiennego-stałego do sprzętu medycznego muszą spełniać surowe wymagania przepisów, wymagania eksploatacyjne oraz wymagania w zakresie parametrów działania, bezpieczeństwa i sprawności. Seria AQM zewnętrznych zasilaczy medycznych firmy XP Power przewyższa te wymagania dzięki wykorzystaniu azotku galu (GaN), co skutkuje całkowitymi rozmiarami obudowy o połowę mniejszymi w porównaniu do klasycznych urządzeń krzemowych (Si).

Źródło: Wykorzystanie urządzeń wykonanych z azotku galu (GaN) do minimalizacji zewnętrznych medycznych zasilaczy prądu zmiennego-stałego

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 14 marca 2024. Zapisz się już dziś!