Použití součástek na bázi nitridu galia (GaN) vede ke zmenšení rozměrů externích AC/DC napájecích zdrojů pro lékařské přístroje.

Navzdory pokrokům v technologii baterií a nízkoenergetických obvodech jsou lékařské systémy jednou z mnoha aplikací, kde zcela nepřipojené konstrukce napájené pouze z baterií nemusí být proveditelné, praktické nebo přijatelné. Namísto toho musí být zařízení často napájena přímo z elektrické sítě nebo se alespoň spoléhat na síťovou zásuvku, aby mohla být v provozu, jsou-li vybité baterie.

Kromě splnění základních výkonových specifikací AC/DC napájecích zdrojů musí lékařské napájecí zdroje splňovat zákonné předpisy pro méně obvyklé provozní situace, například galvanickou izolaci, jmenovité napětí, svodový proud a prostředky ochrany (MOP). Smyslem zavedení těchto standardů je zajistit, aby napájené zařízení neohrožovalo obsluhu ani pacienta ani tehdy, pokud dojde k výpadkům v napájecí síti nebo v zátěži. Konstruktéři napájecích zdrojů pro lékařské přístroje však musí i nadále zlepšovat účinnost a snižovat velikost a hmotnost.

Tento článek pojednává o použití externích AC/DC zdrojů v lékařských přístrojích a zkoumá související zákonné normy. Poté představí produkty od společnosti XP Power, které mohou konstruktéři ke používat ke splnění těchto standardů společně s výhodami výkonových součástí z nitridu galia (GaN) vedoucí ke zmenšení fyzické velikosti zdroje téměř o polovinu.

Základní požadavky na konstrukci napájecího zdroje

Výběr AC/DC zdroje začíná standardními výkonnostními charakteristikami napájecího zdroje. Zdroj musí být schopen poskytovat jmenovité stejnosměrné napětí a dodávat jmenovitý proud při tomto napětí odpovídající požadované zátěži. Univerzální zdroj musí pokrývat široký rozsah vstupního střídavého napětí (typicky 85 V až 264 V AC) při frekvencích 47 až 63 Hz.

Tyto vstupní a výstupní hodnoty napětí a proudu jsou kriticky důležité, avšak nedostačující k úplné definici napájecího zdroje. Mezi další kritéria patří:

• Dynamické výkonnostní charakteristiky, jako je prodleva při startu, doba náběhu, doba přídrže, regulace napětí na straně sítě a zátěže, přechodová odezva, zvlnění a šum a překmity.
• Ochrana proti přetížení, zkratům a přehřátí
• Předepsané hodnoty účinnosti, které jsou funkcí maximálního jmenovitého výkonu zdroje a musí mít konkrétní hodnoty v celé zátěžové křivce, včetně bodů plné zátěže, nízké zátěže a chodu naprázdno.
• Účiník (PF) blízký jednotce, kde specifické hodnota PF je funkcí výkonu a příslušné regulační normy.
• Elektromagnetická kompatibilita (EMC) charakterizující maximální elektromagnetické rušení (EMI)/radiofrekvenční rušení (RFI) zdroje, jakož i jeho náchylnost k elektrostatickým výbojům (ESD), vyzařované energii, vyzařované energii, krátkodobým energetickým jevům, síťovým přepětím a magnetickým polím.
• Bezpečnost definující základní požadavky na ochranu uživatele a zařízení, včetně izolačního napětí mezi vstupem a výstupem, vstupem a zemí a výstupem a zemí.

Požadavky na napájecí zdroje pro lékařské přístroje

Vyhodnocování napájecích zdrojů pro lékařské aplikace dále komplikují další normy a zákonné předpisy. Ty se týkají především bezpečnosti pacienta a obsluhy, kdy je nutné zajistit, aby napájecí zdroj neohrozil ani jednoho ze jmenovaných v případě jednoduchého i dvojitého selhání.

Velká část obav se týká bludných nebo svodových proudů. Standardní síťové napětí (110/230 V; 50 nebo 60 Hz) přivedené na hrudník i na zlomek sekundy může vyvolat fibrilaci komor při proudech již 30 mA. Pokud má proud přímou cestu do srdce, například přes srdeční katetr nebo jinou elektrodu, může fibrilaci způsobit i proud mnohem nižší než 1 mA (AC nebo DC).

V následujícím seznamu jsou uvedeny některé standardní prahové hodnoty, které bývají často citovány pro proud procházející tělem prostřednictvím kontaktu pokožka-povrch, přičemž nebezpečné hodnoty jsou při vnitřním kontaktu mnohem nižší:

• 1 mA: sotva znatelný
• 16 mA: maximální proud, který může průměrně vysoký člověk uchopit a „pustit“
• 20 mA: ochrnutí dýchacích svalů
• 100 mA: práh fibrilace komor
• 2 A: zástava srdce a poškození vnitřních orgánů

Úrovně rizika jsou také funkcí cesty průchodu proudu přes dva kontaktní body s tělem, například přes hrudník nebo skrze něj, či od paže dolů směrem k nohám. Proto je minimalizace svodových proudů procházejících dielektrickou izolací oddělovacího transformátoru kriticky důležitá.

Mohlo by se zdát, že velikost svodového proudu by byla při dostatečně kvalitní izolaci zanedbatelná. I když však tímto svodem může být proud, který fyzicky „uniká“ kvůli nedokonalému charakteru izolace, může se také jednat o výslednici kapacitně vázaných proudů procházejících i mimořádně kvalitní izolací.

Zjednodušený model ideálního transformátoru ukazuje dokonalou galvanickou (ohmickou) izolaci mezi jeho primární a sekundární stranou (obrázek 1).

Obrázek 1: základní model transformátoru ukazuje, že z primární strany na sekundární stranu nevede žádná proudová cesta. (Zdroj obrázku: Power Sources Manufacturers Association)

U ideálního transformátoru nemůže protékat proud přímo z elektrické sítě do napájeného zařízení a vytvářet tak úplnou zpětnou smyčku, a to ani tehdy, pokud by na sekundární straně vznikla nová proudová cesta vlivem poruchy součástky nebo kabeláže. Žádný transformátor však není ideální a předpokládá se kapacita mezi primárním a sekundárním vinutím (obrázek 2).

Obrázek 2: realističtější model předpokládá základní kapacitu (C_ps1) mezi primárním a sekundárním vinutím. (Zdroj obrázku: Power Sources Manufacturers Association)

Dokonalejší model přidává další zdroje kapacity mezi vinutími (obrázek 3).

Obrázek 3: kromě první kapacity mezi vinutími (C_ps1) jsou v transformátoru přítomny také další kapacity. (Zdroj obrázku: Power Sources Manufacturers Association)

Tato nežádoucí kapacita, která způsobuje svodový proud, závisí na mnoha proměnných, například na průřezu vodičů, vzoru vinutí a geometrii transformátoru. Hodnota se může pohybovat od pouhého jednoho pikofaradu (pF) po několik mikrofaradů (µF). Kromě kapacitního svodu transformátoru jsou dalšími zdroji nežádoucích kapacit rozteče na deskách plošných spojů (PCB), izolace mezi polovodiči a uzemněným chladičem a parazitní kapacity mezi ostatními součástkami.

Svodový proud transformátoru vlivem kapacity však není jediným problémem, na který se zaměřují předpisy pro napájecí zdroje lékařských přístrojů. Prioritami jsou základní elektrická bezpečnost a izolace. V závislosti na hodnotách napětí a výkonu mohou zdroje kromě primární izolační bariéry (nebo fyzicky zesílené izolace) vyžadovat také druhou nezávislou izolační bariéru. Kvalita izolace se dále časem zhoršuje v důsledku teplotních extrémů, namáhání vysokým napětím a napěťových rázů, i když stále může vyhovovat původní klasifikaci.

První vrstva izolace se obvykle nazývá „základní izolace“. Příkladem je izolace vodičů. Druhá vrstva je často izolovaným krytem, jak je patrné u mnoha nástěnných a stolních napájecích zdrojů.

Normy a prostředky ochrany (MoP)

Primární normou upravující lékařskou elektroniku a bezpečnost je IEC 60601-1. Nejnovější (4^.) vydání rozšiřuje zaměření na pacienta požadavkem celkových ochranných prostředků (MOP) kombinujících jeden nebo více „prostředků ochrany operátora“ (MOOP) a „prostředků ochrany pacienta“ (MOPP).

Regulační standardy také vytvořily třídy ochrany podle způsobu poskytování prostředků MOOP. Ty jsou označeny jako Class I a Class II a upravují konstrukci a izolaci napájecích zdrojů. Výrobek třídy Class I má vodivé šasi připojené k bezpečnostnímu uzemnění. Pro zjednodušení kompatibility s lokálními síťovými kabely je zdroj opatřen zásuvkou IEC320-C14 pro uživatelský napájecí kabel s ochranným zemnicím vodičem (obrázek 4 vlevo).

Naproti tomu napájecí zdroje třídy Class II používají dvouvodičový napájecí kabel s bezpečnostním uzemněním (obrázek 4 vpravo). Vzhledem k absenci uzemněného šasi jsou mezi uživatelem a vnitřními vodiči pod napětím umístěny dvě vrstvy izolace (nebo jedna vrstva zesílené izolace).

Obrázek 4: zdroje třídy Class I (vlevo) a Class II (vpravo) používají uzemněné třívodičové nebo neuzemněné dvouvodičové síťové zásuvky, které se obvykle propojují se standardními síťovými zásuvkami IEC pomocí uživatelských kabelů. (Zdroj obrázku: XP Power)

V důsledku toho musí být jakýkoli zdroj AC/DC určený pro lékařské aplikace s certifikací Class I nebo Class II speciálně navržen a testován podle příslušných norem. Dodavatelé napájecích zdrojů, například společnost XP Power, si naštěstí uvědomují technická, výrobní a certifikační kritéria potřebná k dodávce produktů splňujících uvedené standardy.

Záleží i na velikosti

Ačkoli se technické požadavky a regulační předpisy kladené na AC/DC zdroje pro lékařské přístroje netýkají fyzické velikosti, přesto je velikost důležitá. Velké zdroje komplikují pracovní uspořádání na místech s prostorovými omezeními, například v sanitce nebo v klinickém prostředí s omezeným prostorem pro stolek nebo mobilní vozík.

Snížení velikosti AC/DC zdroje by v těchto situacích bylo prospěšné, je to však problém. Minimální rozměry zdroje jsou dány nutností dodržovat zákonné předpisy týkající se izolace, povrchových cest a volného prostoru.

Dalším problémem spojeným se zmenšením zdroje je odvod tepla. Při nedostatečném objemu a povrchové ploše zdroje bude jeho vnitřní teplota vyšší, než by byla u zdroje s většími rozměry, čímž dojde k narušení jeho interních aktivních, pasivních a izolačních součástí. Nucené vzduchové chlazení je nepřijatelné kvůli potenciálnímu zablokování proudění, možnému narušení dlouhodobé spolehlivosti a zvýšenému okolnímu hluku.

Kromě toho může generované teplo způsobit nárůst povrchové teploty pouzdra zdroje nad přijatelnou úroveň a ohrozit tak pacienty a operátory. Základním předpokladem zmenšování rozměrů zdrojů je použití vhodných spínacích obvodových součástek vedoucích k minimalizaci generovaného tepla.

Právě zde nabízejí spínací součástky na bázi nitridu galia (GaN) výrazné výhody oproti křemíku (Si). Jejich nižší sériový odpor, kratší spínací časy a nižší náboj zpětného zotavení snižují ztráty, což má za následek účinnější, studenější a kompaktnější spínaný zdroj.

Příkladem je zdroj AQM200PS19 od společnosti XP-Power, který je součástí řady AQM. Zdroj má jmenovité provozní údaje 19 V/10,6 A Class I. Zdroj měří přibližně 167 × 54 × 33 mm, což je polovina rozměrů tradičního zdroje se stejnými údaji, a váží pouhých 600 g (obrázek 5).

Obrázek 5: model AQM200PS19 je 200W zdroj třídy Class I dodávající napětí 19 V s proudem až 10,6 A a účinností 92 %. (Zdroj obrázku: XP Power)

Tento externí napájecí zdroj má kompletní schválení podle mezinárodních lékařských norem. Elektrické parametry zahrnují svodový proud pacienta nižší než 100 µA, typickou účinnost 92 %, spotřebu energie v pohotovostním režimu nižší než 0,15 W a účiník >0,9.

Zdroj je k dispozici ve verzích Class I a Class II a je dimenzován na provoz při teplotách 0° až 60°C. Vyznačuje se plně utěsněným krytem s klasifikací IP22 a jeho hladká povrchová úprava usnadňuje čištění v lékařských prostředích.

Pro systémy s vyšším výkonem nabízí společnost XP Power model AQM300PS48-C2, tedy 300W zdroj třídy Class II dimenzovaný na výstupní napětí 48 V/6,25 A s příkonem v pohotovostním stavu nižším než 0,5 W. Ačkoli je tento zdroj o něco větší, je stále kompaktní, má rozměry pouze 183 × 85 × 35 mm a váží 1 050 g.

V kategorii 250 W nabízí společnost XP Power napájecí zdroj AQM250PS24 24 V/10,4 A Class 1 s příkonem v pohotovostním stavu nižším než 0,15 W. Tento model má rozměry 172 × 67,1 × 32 mm.

Závěr

Autonomní externí AC/DC napájecí zdroje pro lékařské přístroje musejí splňovat přísné regulační předpisy a dále požadavky na provoz, výkon, bezpečnost a účinnost. Externí zdroje pro lékařské přístroje řady AQM od společnosti XP Power tyto požadavky překonávají díky používání tranzistorů GaN, což se v porovnání s klasickými zdroji s křemíkovými součástkami projevuje ve snížení celkové velikosti pouzdra na polovinu.