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使用DC/DC轉換器為連接患者的醫療設備供電

發布時間:2022-01-20 責任編輯:wenwei

【導讀】專業和家庭醫療保健是一個快速發展的市場,從生命體征指示設備到無線充電植入物,越來越多與患者接觸的醫療設備被廣泛使用。無論是電池供電還是交流供電,每個連接的設備都需要直流電源,而低功率的模塊化DC/DC轉換器通常用作安全隔離系統的一部分。本文介紹了DC/DC轉換器在這一領域的應用,解釋了所需的相關安全認證,并且推出專為該應用設計的商用轉換器系列。


在專業和家庭醫療保健中,有越來越多的醫療設備直接接觸到人體以測量各項健康指標,包括體表參數,例如皮膚電阻率、體溫和血氧飽和度水平,以及使用心電圖(ECG)設備監測心跳(圖1)。 


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圖1:ECG監護儀的典型傳感器電路


有時,例如在手術中,需要把傳感器放置在體內。大多數傳感器都是電子設備,因此它們在設計上需要確保足夠低的電壓和電流,以避免對患者造成電擊傷害。還有一項要求,即傳感器絕不提供一條回路,使得故障設備中破壞性的電流通過患者回流至傳感器。這意味著傳感器及其電源不僅必須與危險高壓充分隔離,還必須與“地”隔離。即使是電池供電的手持設備也可能會通過連接的打印機、USB端口或筆記本電腦接地。 


在醫療電子產品中,相關的安全標準是“醫療電氣設備”IEC 60601-1以及各國家標準:例如歐洲的EN 60601-1和美國的ANSI/AAMI ES 60601-1。在標準中,“隔離”具有非常特殊的涵義,即需要在危險電壓或高能量來源與患者之間進行有效的雙重電氣隔離。因此醫療設備必須具有雙重“保護措施”(MOPs),以防其中一項失敗,另一項仍可以提供足夠的保護。MOP要求有兩個級別:操作者的MOOP和更高級別的患者MOPP。 


在絕緣隔離條件下,為了給傳感器供電或讀取數據,具有增強型絕緣結構的微型安全變壓器或光耦合器是一種實用的解決方案。這些方式提供高耐壓隔離,但在隔離兩端仍有耦合電容,存在漏電流,因此必須盡可能的降低耦合電容。 


如果傳感器電源來自AC/DC轉換器,則安全的隔離輸出是所有電源的標準配置。但是,商用或IT用AC/DC的隔離等級不足以滿足醫療標準。許多設備只有一項保護措施,并且隔離耦合電容通常太高而無法滿足低漏電流的要求。此外,輸出可能是“浮動的”,但是與“地”的隔離并不充分。一些“醫療級”AC/DC具有操作者保護措施(MOOP),但由于輸入/輸出和輸出/接地的隔離不足,而且AC/DC隔離耦合電容也不夠低,所以不適合直接與患者連接。雖然也有具備雙重患者保護(2MOPP)的AC/DC可以使用,但功率范圍有限而且價格昂貴。多通道傳感器通常需要多個相互隔離的電源軌,但可以肯定的是,只有完全定制的2MOPP AC/DC才會具備全部所需的電源軌。 


DC/DC可以構成隔離系統的一部分 

一種解決方案是使用標準的2MOOP醫療級隔離的AC/DC轉換器,然后以一個或多個醫療級DC/DC轉換器來為傳感器增加另一級的隔離。這些轉換器提供所需的傳感器電壓軌,如果它們具有高隔離和低耦合電容就可以進一步成為隔離系統的一部分,來滿足最嚴格的“心臟漂浮”(CF)類設備的應用。圖2顯示了具有接地外殼或 “Class I” 電氣配置系統的典型連接 


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圖2:使用DC/DC轉換器滿足醫療級 CF應用


在圖2的示例中,即使AC/DC具有2MOOP,DC/DC轉換器也需要2MOPP,因為有未指定的設備(SIP/SOP)連接到DC/DC輸入端,這可能在故障的情況下產生危險電壓。如果設備是“Class II”電氣設備,即沒有接地連接,并使用未指定外部連接的塑料外殼,但如果AC/DC至少具有2MOOP的隔離,那么DC/DC轉換器可以只需要1MOPP等級的隔離(D),用于直接與患者連接的應用。DC/DC通常只需提供低功率電源,不僅體積小成本也低。 


DC/DC轉換器的典型應用如圖3所示。這里使用一個儀表放大器作為ECG傳感器,為分析提供數字數據。另一個DC/DC為驅動器供電,驅動器為患者進行某種刺激,并且與傳感器隔離。數據則用光偶進行隔離。儀表放大器通常需要+/-5V的電壓,驅動器則需要+12V的電壓。由穩壓系統電壓供電的兩個2W板載DC/DC轉換器提供隔離的電壓軌。由于是穩壓輸入且負載恒定,因此DC/DC可以是簡單、低成本的 “非穩壓” 轉換器,只需百分之幾的負載調節率,即可獲得足夠的性能。 


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圖3:DC/DC轉換器為傳感器和驅動器提供隔離的電源軌


DC/DC轉換器可以為其他測量或刺激通道提供更多隔離的電源軌。DC/DC轉換器的小尺寸和設計使其具有極低的耦合電容,因此漏電流極小。 


DC/DC轉換器會產生噪聲 


所有高效率的DC/DC轉換器都是“開關式”電源,因此會產生傳導和輻射電磁噪聲。在實際電路中,這種噪聲會干擾其他測量,特別是當信號在mV范圍內的時候,例如ECG設備中。醫療標準60601-1-2也對噪聲有所限制,因此必須盡可能抑制DC/DC內部的噪聲水平,或進行外部濾波。不過,外部濾波器通常必須橋接隔離柵以減小由于漏電流導致的 “共?!?噪聲。由此可見,應該首選固有噪聲水平較低的DC/DC轉換器。 


如圖2所示,具有2MOPP隔離等級的DC/DC轉換器需要滿足設備“系統”電壓標準中規定的爬電距離和電氣間隙。實際上,如果部件可以在海拔2000米以上的地方使用,對于240VAC供電系統來說,爬電距離和電氣間隙需要大于8mm。連接的醫療設備必須很小,因此低功率DC/DC的電路板通常只有幾平方厘米的空間。這意味著隔離變壓器是一個復雜的設計,必須使用三層增強絕緣線,并增加絕緣和環氧樹脂封裝以降低局部環境的“污染度”。因此要實現分立式DC/DC的解決方案并不容易,而且在許多應用中都需要采購昂貴的定制變壓器。 


模塊化DC/DC轉換器是一種經濟高效的解決方案 


模塊化DC/DC轉換器是一種簡單的解決方案,例如RECOM[1]新型、高性價比的2W REM2系列(圖4),采用緊湊的SIP8封裝,提供2MOPP隔離等級和250VAC額定工作電壓。該轉換器已通過IEC/EN/ES 60601-1的認證,讓最終EMC測試變得更加簡單。轉換器以單路或雙路輸出,為傳感器或儀表放大器供電,并具有五種不同標稱輸入電壓供選擇。模塊的工作溫度范圍為-40°C至+95°C,從80°C開始降額,可適用海拔高達5000m。轉換器的效率高達85%、低噪聲、符合IEC/EN 60601-1-2和EN 55011對EMC的要求。隔離電容僅為25pF。 


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圖4:RECOM的2W DC/DC轉換器,具有2MOPP/250VAC 額定電壓


隔離式DC/DC轉換器是符合醫療隔離級別要求、應用在連接患者設備上的重要組件。經過認證,微型封裝的現成模塊解決了所有應用問題。 


參考文獻 


[1] RECOM: www.recom-power.com/medical 



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