Výběr správného napájecího zdroje AC/DC ke splnění jedinečných zdravotnických požadavků

Vylepšení technologie baterií spolu s pokrokem v obvodech s nízkou spotřebou energie učinily z přenosných bateriově napájených systémů životaschopnou volbu pro mnoho návrhů, ale v aplikacích, jako je lékařská péče a domácí zdravotní péče, není provoz pouze na baterie bez kabelů proveditelný, praktický nebo dokonce ani žádoucí. Místo toho musí zařízení fungovat přímo ze střídavé sítě nebo mít přístup k zásuvce střídavého proudu, aby byl zajištěn spolehlivý provoz při vybití baterií. Pro tyto případy musí zdroj AC/DC poskytovat obvyklý výkon napájecího zdroje s ohledem na napěťový a proudový výstup, statickou a dynamickou regulaci, jakož i poruchové a další ochranné funkce.

Navíc základní výkon napájecího zdroje není to jediné, na co musí brát konstruktéři zdravotnických systémů ohled. Existují různé regulační normy, a nedávno byly aktualizovány, které přidávají další požadavky pro méně zřejmé problémy s výkonem, jako je galvanické izolační napětí, unikající proud a dva prostředky ochrany pacienta (2× MOPP). Tyto normy platí, aby zajistily, že zařízení, které zdroj napájí, neohrozí obsluhu ani pacienta ani v případě, že dojde k poruše napájení nebo zařízení.

Kombinace požadavků na výkon, spolehlivost a normy, stejně jako náklady a čas spojené s tlaky trhu, činí z návrhu napájecího zdroje od nuly náročnou výzvu. Místo toho musí konstruktéři pečlivě prozkoumat řadu již hotových možností pro optimální řešení.

Tento článek pojednává o aplikacích pro zdroje AC/DC v prostředí zdravotnických přístrojů a je v něm uveden přehled zásadních regulačních norem pro tyto zdroje. Poté jsou zde představeny ukázkové zdroje od společnosti CUI Inc., probrány jejich příslušné charakteristiky a to, jak mohou pomoci vyřešit problém s napájením zdravotnického systému.

Používáte vedení AC nebo baterie?

Přestože se bateriově napájená a přenosná zařízení bez kabelů stala v mnoha spotřebitelských a komerčních produktech běžnými a dokonce preferovanými, existuje stále mnoho situací, kdy je bateriové napájení buď nepraktické, nebo nežádoucí. To platí zejména pro zdravotnické přístroje, kde je rozhodující konzistentní, spolehlivá a okamžitá dostupnost. Mezi důvody, proč mohou zdravotnické systémy provoz na střídavý proud preferovat nebo nařizovat, patří:

• Vysoké požadavky na výkon, napětí nebo proud, které mohou vyžadovat velký, těžký a nákladný bateriový systém spolu s obvody pro řízení nabíjení
• Mnoho lékařských pracovišť má 12-, 18- a dokonce i 24hodinové denní směny kvůli plánování pacientů
• Dokonce i u systémů, které mohou používat nabíjecí baterie pro primární napájení nebo nouzové zálohování, je třeba tyto baterie nabíjet, když je systém v provozu, a během této doby musí dodávat energii zdroj AC/DC

V zásadě by se pro tyto systémy měl hodit každý správně dimenzovaný standardní běžně dostupný („off-the-shelf“, OTS) zdroj AC/DC s vhodným jmenovitým napětím a proudem. I když jsou v základním smyslu adekvátní, nesplňují dodatečné normy kladené na zdravotnické zdroje.

Důvodem pro tyto dodatečné bezpečnostní a výkonové požadavky je jedinečná povaha zdravotnických aplikací a velmi reálná možnost selhání komponent nebo systému, které by mohly způsobit poškození pacienta nebo obsluhy. Je to obzvláště náročné, protože pacient je často v přímém kontaktu se senzory, sondami nebo jinými měniči, které mohou vést proud přímo do těla, což představuje větší riziko než náhodný kontakt.

Začněte se základy bezpečnosti

Přestože je riziko úrazu elektrickým proudem normálně spojeno s vyšším napětím, existuje pouze nepřímá korelace. Úraz pacienta nebo uživatele elektrickým proudem je způsoben proudem procházejícím tělem a zpět ke zdroji. Pokud však tento proud nemá žádnou zpětnou vodivou cestu, pak neexistuje žádné riziko, i když se osoba dotýká vedení vysokého napětí.

Až na velmi specializované výjimky má síťový napájecí zdroj AC/DC na vstupní straně oddělovací transformátor, který může plnit dvě role:

• Před usměrněním na stejnosměrný proud zajišťuje podle potřeby zvýšení/snížení síťového napětí.
• Zajišťuje izolaci vstupu/výstupu, takže neexistuje žádná cesta pro tok proudu přes uživatele a zpět do neutrálního vedení. To je kriticky důležité v případě závady, která by mohla vést k napětí a proudu na povrchu zařízení, a tedy k obsluze nebo pacientovi a skrz ně (obrázek 1).

S nasazeným izolačním transformátorem nemůže k tomuto toku proudu dojít, protože oddělovací transformátor nemá cestu vodiče z nulového vodiče vedení AC do uzemnění, takže proud nemůže přes uživatele protékat.

Obrázek 1: Izolační transformátor přerušuje cestu proudu z nulového vedení do uzemnění, takže proud nebude protékat uživatelem, ani když se zařízení nebo systém uživatele náhodně připojí k odkrytému pouzdru. (Zdroj obrázku: web Quora)

Proč si dělat starosti s proudem?

Standardní síťové napětí (110/230 V, 50 nebo 60 Hz) protékající přes hrudník i jen po zlomek sekundy může způsobit fibrilaci srdečních komor i při tak nízkém proudu, jako je 30 mA. Pokud je cesta proudu k srdci přímá, například přes srdeční katétr nebo jiný druh elektrody, může fibrilaci způsobit i mnohem nižší proud do 1 mA (AC nebo DC).

Je stanoveno několik prahových hodnot norem, které se často v souvislosti s protékáním proudu přes tělo prostřednictvím kontaktu s povrchem pokožky citují:

• 1 mA: sotva vnímatelný
• 16 mA: maximální proud, který může průměrným člověkem projít bez následků
• 20 mA: ochrnutí dýchacích svalů
• 100 mA: prahová hodnota fibrilace srdečních komor
• 2 A: zástava srdce a poškození vnitřních orgánů

Úrovně jsou také funkcí cesty průchodu proudu, což znamená, kde se nacházejí dva body kontaktu s tělem, jako například na obou stranách hrudníku nebo vpředu na hrudníku a na zádech, od rukou až k chodidlům nebo z jedné strany hlavy na druhou.

Oddělení transformátorem a úniky jsou kriticky důležité

Únik je proud, který prochází dielektrickou izolací, ať už v důsledku fyzikálních „úniků“ následkem nedokonalé povahy izolace, nebo v důsledku kapacitních proudů, které mohou procházet i mimořádně dobrou izolací. Ačkoli unikající proud není žádoucí nikdy, u některých zdravotnických aplikací představuje problém mnohem vážnější.

Zjednodušený model transformátoru ukazuje na obrázku 2 dokonalou galvanickou (ohmickou) izolaci mezi jeho primární a sekundární stranou.

Obrázek 2: Tento základní model transformátoru ukazuje, že neexistuje žádná cesta proudu z primární na sekundární stranu. (Zdroj obrázku: organizace Power Sources Manufacturers Association)

Žádný proud nemůže protékat ze střídavého napájení přímo do napájeného produktu – a vytvořit tak úplnou smyčku toku proudu zpět do střídavého napájení – ani když chyba součásti nebo kabeláže zajistí novou cestu proudu na sekundární straně. Žádný transformátor v reálném světě však není dokonalý a vždy existuje určitá kapacita mezi vinutími primární a sekundární strany (obrázek 3).

Obrázek 3: Realističtější model ukazuje základní kapacitu mezi vinutími (C_ps1) mezi primární a sekundární stranou. (Zdroj obrázku: organizace Power Sources Manufacturers Association)

Ještě propracovanější model přidává další zdroje kapacity mezi vinutími, jak je znázorněno na obrázku 4.

Obrázek 4: Kromě základní kapacity C_ps1 existují další kapacity transformátoru. (Zdroj obrázku: organizace Power Sources Manufacturers Association)

Tato nežádoucí kapacita, která umožňuje tok unikajícího proudu, je funkcí mnoha proměnných, jako je velikost vodiče, vzor vinutí a geometrie transformátoru. Výsledná hodnota se může pohybovat od pouhého jednoho pikofaradu (pF) po několik mikrofaradů (µF). Kromě kapacitního úniku transformátoru jsou dalšími zdroji nechtěných kapacit rozestupy na deskách plošných spojů, izolace mezi polovodiči a uzemněnými chladiči a dokonce i parazitní kapacity mezi ostatními součástkami.

Unikající proud transformátoru není kvůli kapacitě jediným problémem napájení v oblasti zdravotnictví. Je zřejmé, že tím je základní bezpečnost a izolace střídavého proudu. V závislosti na úrovni napětí a výkonu mohou tyto zdroje potřebovat kromě primární bariéry ještě druhou nezávislou izolační bariéru.

Mnoho zdravotnických produktů zahrnuje také velmi nízké úrovně signálu (například milivolty nebo mikrovolty u tělesných senzorů), takže obavy vyvolává také generované elektromagnetické rušení (EMI) nebo vysokofrekvenční rušení (RFI) (obecně nazývaná elektromagnetická kompatibilita neboli EMC). Příslušné normy uvádějí maximální povolené generování EMI/RFI a také jejich toleranci.

Normy a prostředky ochrany (MOP)

Primárním standardem upravujícím zdravotnickou elektroniku a bezpečnost je norma IEC 60601-1 - Zdravotnické elektrické přístroje - Část 1: Všeobecné požadavky na základní bezpečnost a nezbytnou funkčnost spolu s různými souvisejícími standardy. 3^rd vydání IEC 60601-1 rozšiřuje zaměření na pacienta tak, že vyžaduje celkový MOP, který kombinuje jeden nebo více prostředků ochrany operátora (MOOP) a prostředků ochrany pacienta (MOPP).

Zatímco tedy základní ustanovení 2^nd vydání, které chrání před selháním, zůstává na místě, třetí vydání uznává, že potenciální nebezpečí, která vidí každý uživatel, mohou být zcela odlišná; operátor má například přístup k ovládacímu panelu, zatímco pacient může být „připojen“ pomocí sond.

3. vydání normy výslovně uvádí Proces managementu rizik popsaný v normě ISO 14971, který zahrnuje soubor managementu rizik, ve kterém jsou identifikovány a vyhodnocovány chybové stavy. Nedávno aktivovaný 4^čt vydání této normy jde ještě dále. Zaprvé přidalo aktualizace, které zohledňují technologické změny. Zadruhé také rozšiřuje analýzu rizik a řeší reciproční obavy z EMC ovlivňující jak dané zdravotnické zařízení, tak další zařízení v blízkosti. Jinými slovy jde norma nad rámec tvrzení „měli byste to udělat“ nebo „měli byste to udělat takto“ a vyžaduje nyní posouzení a dokonce kvantifikaci příslušných rizik a způsob, jak je zmírnit.

Zdroje a MOP

Regulační normy vytvořily třídy ochrany produktů, které se vyznačují prostředky zajišťujícími ochranu obsluhy před nebezpečným napětím, označené jako třída I a třída II.

Produkt třídy I bude mít vodivé šasi, které je spojeno s bezpečnostním uzemněním. Proto je u produktů třídy ochrany I vyžadován vstupní napájecí kabel s ochranným zemnicím vodičem. Naproti tomu produkt třídy II nebude mít ve vstupním napájecím kabelu ochranný zemnicí vodič. Místo toho je zahrnuta druhá vrstva izolace pro ochranu obsluhy kvůli absenci uzemněného šasi (obrázek 5).

Obrázek 5: Zařízení třídy I vyžadují pouze základní izolaci a uzemněné šasi, zatímco zařízení třídy II vyžadují dodatečné režimy izolace. (Zdroj obrázku: společnost CUI Inc.)

V normě IEC 60601-1 jsou různé požadavky na prostředky MOP, jako je izolační napětí, povrchová cesta a izolace, včetně toho, zda platí požadavek na prostředky MOOP nebo přísnější MOPP (obrázek 6).

Obrázek 6: Různé prostředky a úrovně ochrany mají různé požadavky na jmenovité izolační napětí, povrchovou cestu a izolaci. (Zdroj obrázku: společnost CUI Inc.)

Norma definuje, která klasifikace je v různých situacích použití vyžadována. Například zařízení, které umožňuje fyzický kontakt s pacientem, jako je monitor krevního tlaku, bude obvykle muset splňovat požadavky pro dva prostředky MOOP a jeden MOPP.

Neexistuje žádné jediné číslo, které by bylo možné říct předem ohledně hodnoty požadované pro jednotlivé parametry, protože jejich maximální hodnoty jsou funkcí mnoha faktorů. Parametry jsou také určeny tím, zda celkový návrh využívá jeden nebo dva prostředky MOP a zda je tímto prostředkem MOP prostředek MOPP nebo MOOP.

Třídy ochrany IEC určují konstrukci a izolaci napájecích zdrojů pro ochranu uživatele před úrazem elektrickým proudem. Napájecí zdroje třídy II ochrany IEC mají mezi uživatelem a vnitřními vodiči pod proudem dvouvodičový napájecí kabel se dvěma vrstvami izolace (nebo jednou vrstvou zesílené izolace).

První vrstva izolace se obvykle nazývá „základní izolace“, jako je izolace běžně používaná na vodičích. Druhou vrstvou izolace je pak často izolační pouzdro obklopující produkt (a může být označeno jako „dvojitá izolace“), jako je plastové pouzdro používané s napájecími zdroji pro montáž na stěnu a umístění na stůl.

Vyrobit versus koupit

Základní návrh napájecího zdroje je podporován mnoha dostupnými součástkami, aplikačními poznámkami, referenčními návrhy a dalšími prvky. V důsledku toho mohou být konstruktéři v pokušení navrhnout a sestavit vlastní návrh přesně na míru požadavkům aplikace a jejím prioritám. Není pochyb o tom, že v některých případech jsou požadavky na zdroje tak neobvyklé nebo jedinečné, že žádné komerční zdroje nejsou k dispozici, takže jediným řešením je „vyrobit“.

Navzdory proveditelnosti řešení „vyrobit“ jsou argumenty proti tomu silné: „vyrobit“ s sebou nese vysoké riziko návrhu a certifikace a navíc dlouhou dobu do uvedení na trh. Kromě toho vyšší objem dodavatelů ve srovnání s úsilím řešení „vyrobit“ má za následek nižší kusovník (BOM) a náklady na montáž, takže řešení „vyrobit“ ani nešetří náklady, snad s výjimkou velmi nízkých úrovní výkonu (pod přibližně deset wattů), kde jsou regulační požadavky méně přísné.

Zařízení OTS: rozsah úrovní výkonu, tvarové faktory

Jedna věc je abstraktně mluvit o certifikovaných, regulačními předpisy schválených napájecích zdrojích AC/DC pro zdravotnické aplikace, ale pohled na některé dostupné verze ukazuje, že splnění těchto požadavků neomezuje flexibilitu použití. Prodejci nabízejí různé řady zdrojů s rozsahem jmenovitých hodnot napětí/proudu v rámci jednotlivých řad, a tak mohou splnit téměř všechny požadavky projektu. Některé příklady ukazují šíři toho, co je k dispozici v externích adaptérech, modulech s otevřenou konstrukcí a uzavřených zařízeních.

Příklad č. 1: Externí stolní adaptéry, např. řada SDM65-UD, zahrnují model SDM65-24-UD-P5 24 V, 2,7 A (obrázek 7). Tato řada zdrojů třídy II se často používá k napájení/nabíjení notebooků a podobných zařízení a nabízí univerzální vstupní rozsah 90 až 264 V a 47 až 63 Hz.

Tato nominální 65wattová zařízení mají výstupy, které pokrývají 12 V při 5 A až 5 V při 1,36 A, jsou umístěna v plně uzavřeném izolujícím pouzdru o rozměrech přibližně 120 × 60 × 36 mm a zahrnují uživatelsky pohodlný indikátor LED „zapnutí“.

Obrázek 7: Model SDM65-24-UD-P5 je zdroj AC/DC třídy II, 24 V, 2,7 A určený pro externí použití s ohledem na zařízení, které napájí. (Zdroj obrázku: společnost CUI Inc.)

Zdroje v této řadě fungují z uživatelem dodaného dvouvodičového kabelu AC IEC320/C8. Výstup DC je dodáván se 150cm kabelem (průřez 16 nebo 18 v závislosti na výstupním proudu zdroje), lze jej objednat s jednou ze dvou orientací polarity a s libovolným z řady běžných zakončení zástrčky „lůžka“ nebo obnaženými/pocínovanými vodiči (obrázek 8).

Obrázek 8: Zdroje řady SDM65-UD se nabízejí s mnoha možnostmi standardních barelových konektorů pro výstupní konektor DC stejně jako s obnaženými a pocínovanými vodiči. (Zdroj obrázku: společnost CUI Inc.)

Příklad č. 2: Moduly s otevřenou konstrukcí (nebo platem), jako je např. řada VMS-550, zahrnují zařízení VMS-550-48, 48 V, 11,5 A. Zdroje v této řadě nabízejí až 550 wattů nepřetržitého výkonu s výstupy v rozsahu 12 V / 42 A až 58 V / 9,5 A, se standardním půdorysem v oboru 3 × 5 palců (7,6 × 12,7 cm) a nízkým profilem 1,5 palce (3,8 cm) (obrázek 9).

Obrázek 9: Model VMS-550-48 s otevřenou konstrukcí dodává 48 V při 11,5 A a má standardní půdorys 3 × 5 palců (7,6 × 12,7 cm). (Zdroj obrázku: společnost CUI Inc.)

Tyto zdroje zahrnují kompenzaci účiníku („power factor correction“, PFC), což je na této úrovni výkonu regulační požadavek, a mají ztrátový výkon v pohotovostním režimu nižší než 0,5 wattu spolu s účinností až 92 %. Pracují v teplotním rozsahu −40 °C až 70 °C a obsahují samostatný výstup 12 V / 0,5 A pro místní chladicí ventilátor. Připojení střídavého proudu pro toto zařízení třídy II je prostřednictvím samčího konektoru na desce s obvody zdroje pomocí dvouvodičového kabelu zakončeného samičím protikonektorem.

Katalogový list obsahuje ztrátové křivky s rostoucí teplotou spolu s užitečným mechanickým nákresem znázorňujícím uspořádání chladicí základní desky s montážními rozpěrnými podpěrami a šrouby (obrázek 10).

Obrázek 10: Mechanický výkres znázorňující rozměry a montážní uspořádání vhodné chladicí desky pro napájecí zdroj VMS-550-48. (Zdroj obrázku: společnost CUI Inc.)

Příklad č. 3: Uzavřená zařízení, jako je např. řada VMS-450B, zahrnují 450wattový zdroj VMS-450B-24-CNF, který poskytuje 24 V při 18,8 A ze vstupů 100 až 240 V AC. Zdroj má rozměry 127 × 86,6 × 50 mm (přibližně 5 × 3,4 × 2 palce) a dodává se s kovovým stíněním, které umožňuje proudění vzduchu, zároveň snižuje EMI/RFI a poskytuje určitou fyzickou ochranu jak pro zdroj, tak pro jeho uživatele (obrázek 11).

Obrázek 11: Řada 450wattových napájecích zdrojů AC/DC VMS-450B-24-CNF dodává 24 V při 18,8 A a je vybavena ochranným krytem. (Zdroj obrázku: společnost CUI Inc.)

Zdroje této řady mohou dodávat od 12 V při 37,5 A až po 56 V při 8 A. Zahrnují také PFC a 12V, 600mA pohon pro ventilátor plus přídavný pomocný výstup DC 5 V, 1A, který v mnoha aplikacích eliminuje potřebu samostatného malého zdroje.

Závěr

Napájecí zdroje AC/DC pro zdravotnické aplikace musí splňovat velký soubor komplexních, přísných regulačních norem a mandátů pokrývajících základní a dodatečné bezpečnostní požadavky. Zdroje, které splňují všechny příslušné normy, jsou k dispozici v širokém rozsahu jmenovitých výkonů a dodávají se ve formách včetně externího „stolního“ stylu a také „miniaturního“ řešení pro zabudování do konečného produktu. Výběrem jednoho z těchto standardních zařízení se konstruktéři systémů zbaví všech problémů spojených s návrhem zdroje, certifikací, konečným schválením a výrobou.