Az optimális egyenáram-átalakító kiválasztása és használata gyógyászati berendezések tervezésekor

Egy váltakozó áramról és akkumulátorról is működő tápegység megtervezése meglehetősen bonyolult. A tervezőnek olyan megoldást kell kidolgoznia, amely változó terhelések esetén is stabil feszültséget és áramerősséget szolgáltat, miközben jó hatásfokkal működik, hogy minimálisra csökkentse a teljesítményveszteséget. Ha azonban a tápegységet gyógyászati termékbe szánják, a tervezés még bonyolultabbá válik az elektromágneses összeférhetőség (EMC), a beteggel való villamos érintkezésre vonatkozó szigorú biztonsági előírások és az elektromágneses zavarás (EMI) elleni védelem miatt.

A gyógyászati berendezések tápegységeit az alapoktól fejlesztő tervezők számára költséges és időigényes, hogy megfeleljenek ezeknek a követelményeknek. A kereskedelmi forgalomban kapható modulrendszerű egyenáram-átalakítók alternatívát jelentenek, de az ilyen megoldások kiválasztása és használata során körültekintően kell eljárni.

Ez a cikk röviden ismerteti az egyenáram-átalakító szerepét a tápáramkörökben, és felvázolja a gyógyászati berendezések által megkövetelt kiválasztási feltételeket és a speciális szempontokat. Ezután példaként bemutatja az XP Power néhány készülékét, valamint egy gyakorlati felhasználási módot.

Az egyenáram-átalakítók szerepe

Bár az akkumulátorokat a névleges feszültségükkel jellemzik, a kimenőteljesítményt olyan tényezők is befolyásolják, mint a töltöttségi szint, a legnagyobb leadandó áramerősség és a hőmérséklet. A legfontosabb jellemző, hogy ahogy az akkumulátor merül, úgy csökken a kimenőfeszültsége. Az IC-k és más kényes alkatrészek azonban egyenletes feszültséget igényelnek a helyes működéshez. Az egyenáram-átalakító esetében a bemenőfeszültség szabályozásával érik el, hogy az megbízható és egyenletes kimenőfeszültséget (vagy kimenőfeszültségeket) szolgáltasson a végtermék táplálására.

Az egyenáram-átalakítók a hálózati áramellátású termékekben is gyakoriak. A váltakozó áramú hálózat feszültségét egy kezdeti egyenirányító alakítja át egyenfeszültséggé, majd egy vagy több egyenáram-átalakító (egyben feszültségszabályozó) szabályozza annak értékét. Ezután további szabályozással ezt a feszültséget a végtermék számára megfelelő szintre hozzák.

A feszültségszabályozók lehetnek lineáris vagy kapcsolóüzemű rendszerűek. A lineáris feszültségszabályozók egyszerű és strapabíró eszközök, de hatásfokuk a be- és a kimenőfeszültség közötti különbség növekedésével csökken. A lineáris feszültségszabályozók csak csökkenteni (buck) tudják a bemenőfeszültséget, növelni (boost) nem, és invertálni sem. Ha nem tudjuk növelni a bemenőfeszültséget, akkor nem tudjuk teljes mértékben kihasználni az akkumulátorokban rejlő lehetőségeket.

A kapcsolóüzemű feszültségszabályozók valamilyen impulzusszélesség-modulált (PWM) kapcsolóelemet használnak, amelyet jellemzően egy vagy két MOSFET alkot, az energiatárolás és a szűrés érdekében egy vagy két tekerccsel és kondenzátorral párosítva. A tervezők elsősorban a jó hatásfok és a nagy teljesítménysűrűség miatt választják a kapcsolóüzemű feszültségszabályozókat. Emellett ezek a feszültségszabályozók képesek a bemenőfeszültség csökkentésére, növelésére és invertálására is.

A kapcsolóüzemű feszültségszabályozókat használó tervezők számára a tervezés bonyolultsága, a költségek és a kapcsolóelemek okozta elektromágneses zavarás miatti lehetséges problémák jelentenek nehézséget. Lehet egyenáramú kapcsolóüzemű feszültségszabályozót a nulláról kiindulva is tervezni, és egy ilyen módszer némi költséget és helyet is megtakaríthat, de bonyolult és időigényes. Alternatív megoldásként választani lehet a kereskedelmi forgalomban kapható modulok széles választékából. Az egyik ilyen például az XP Power JMR sorozata, amely egyetlen kis méretű, megbízható és könnyen a végtermékbe tervezhető eszközben egyesíti a kapcsolóüzemű feszültségszabályozók elsődleges elemeit (1. ábra).

1. ábra: Az olyan modulrendszerű eszközök, mint a JMR sorozat, egyetlen kis méretű, megbízható és könnyen a végtermékbe tervezhető eszközben egyesítik az egyenáram-átalakítós kapcsolóüzemű feszültségszabályozók főbb elemeit (kép: XP Power)

Az egyenáram-átalakító kiválasztása

Az egyenáram-átalakító kiválasztásakor számos tényezőt kell figyelembe venni. Ezek közül néhány nyilvánvaló, például hogy a tervezett készülék szabja meg a szükséges be- és a kimenőfeszültséget, valamint be- és kimenő áramerősséget. Más szempontok ennél árnyaltabbak. A minél jobb hatásfok eléréséhez például figyelembe kell venni a végtermék jellemző terhelési profilját. A tervezőnek meg kell vizsgálnia a kiválasztott egyenáram-átalakítók adatlapján a hatásfokgörbéket is, és meg kell bizonyosodnia arról, hogy a végtermék általában az átalakító legjobb hatásfokú munkapontján működik.

Az XP Power JMR1024S05 jó példa a gyógyászati berendezésekbe szánt egyenáram-átalakítóra. Ez az áramátalakító egy 20,3 mm × 31,8 mm × 10,2 mm-es, rendkívül kis méretű, nyomtatott áramköri lapra szerelhető gyógyászati eszköz 3 mm-es furatszerelt lábakkal. Kimenőfeszültsége 5 V, 24 V névleges bemenőfeszültségről (min. 9 V, max. 36 V). A modul legnagyobb kimenő áramerőssége 2 A, a bemenő áramerősség pedig teljes terhelésnél 491 mA. A kimeneti búgófeszültség 75 mV (csúcstól csúcsig (pk–pk)), a hatásfok pedig 84,9%.

A modulnak kicsi, 6 mA az üresjárati fogyasztása, ami javítja a hatásfokot, és csökkenti a fogyasztást. A modul távoli letiltásával további 3 mA üresjárati áramfelvétel-csökkentés érhető el (2. ábra). A modul akkor van bekapcsolva, ha az 1. láb áramköre szakadt, és akkor van kikapcsolva, ha az 1. láb 2 mA és 4 mA közötti erősségű áramforráshoz van csatlakoztatva, vagy ha az 1. lábra a 2. lábhoz képest 2,2 V és 12 V közötti feszültség van kapcsolva.

2. ábra: A JMR1024S05 üresjárati áramfelvétele a modul távoli letiltásával 3 mA-re csökkenthető (ábra: XP Power)

Az XP Power alternatívákat is kínál a 10 W-os termékcsaládján belül. A JMR1048S12 például 48 V névleges (18 V és 75 V közötti) bemenőfeszültségről működik, és 12 V kimenőfeszültséget szolgáltat 833 mA legnagyobb kimenő áramerősség mellett. A teljes terhelésű bemenő áramerősség 237 mA, és ebben az állapotban a hatásfok 88%.

A JMR1012D15 pedig 12 V névleges (4,5 V és 18 V közötti) bemenőfeszültségről működik, és ±15 V kimenőfeszültséget szolgáltat 333 mA legnagyobb kimenő áramerősség mellett. A teljes terhelésű bemenő áramerősség 957 mA, és ebben az állapotban a hatásfok 87%.

A JMR 10 W-os sorozatának kapcsolási frekvenciája 300 kHz.

A gyógyászati berendezések támasztotta speciális követelmények

A gyógyászati termékek magasabb követelményeket támasztanak az egyenáram-átalakítóval szemben, mivel a végtermékekben használt villamos alkatrészekre a szigorú IEC 60601-1 egészségügyi biztonsági szabvány vonatkozik.

Az IEC 60601-1 szerint a „beteggel érintkező alkatrész” a gyógyászati eszköz azon eleme, amely közvetlenül érintkezik a beteggel, vagy amelynek részei a termék szokásos használata során valószínűleg érintkezhetnek a beteggel. A szabvány a beteggel érintkező alkatrészeket a beteggel való érintkezés típusa és a gyógyászati eszköz jellege alapján határozza meg.

A B típusú besorolást olyan beteggel érintkező alkatrészek kapják, amelyek általában nem vezetőképesek, és földelhetőek. A BF típus (BF – body floating, földeletlen, testhez kapcsolt) olyan beteggel érintkező alkatrészekre vonatkozik, amelyek villamosan kapcsolódnak a beteghez, és amelyeknek földeletleneknek és a földtől elszigetelteknek kell lenniük. A BF típus nem terjed ki a szívvel közvetlenül érintkező alkatrészekre. A CF (CF – cardiac floating, földeletlen, szívhez kapcsolt) típusú besorolást a szívhez közvetlenül csatlakoztatható, beteggel érintkező alkatrészek kapják. A CF típusú, beteggel érintkező alkatrészeknek földeletleneknek és a földtől elszigetelteknek kell lenniük.

A beteghez csatlakoztatott gyógyászati eszközöket el kell látni valamiféle védelmi megoldásokkal (MOP, means of protection), amelyek megakadályozzák, hogy a beteggel érintkező alkatrészek (és más hozzáférhető alkatrészek) túllépjék az előírt feszültség-, áramerősség- vagy energiakorlátokat. A megfelelő védőföldelés egyszeres védelmi megoldást (1 × MOP), az alapszintű szigetelés szintén egyszeres védelmi megoldást, a megerősített szigetelés pedig kétszeres védelmi megoldást (2 × MOP) nyújt.

A védelmi megoldások két további kategóriákba sorolhatók: ezek a kezelővédelmi megoldások (MOOP, Means of Operator Protection) és a betegvédelmi megoldások (MOPP, Means of Patient Protection). A beteggel való érintkezésre szánt eszközöknél kétszeres betegvédelmi megoldásra van szükség.

A BF és CF típusbesorolású gyógyászati eszközök tápegységeinek kétszeres betegvédelmi megoldást kell nyújtaniuk a primer és a szekunder áramkör között, és egyszeres betegvédelmi megoldást a primer áramkör és a föld között. A tápegység bármely szekunder áramköri kimenete és a föld közötti további biztonsági szigetelést szintén az egyszeres betegvédelmi megoldásnak megfelelő értékűre kell méretezni a legnagyobb névleges bemenő váltakozó hálózati feszültség értékére nézve. Az 1. táblázat mutatja a légrést, a kúszóáramutat és a kezelővédelmi (MOOP), valamint a betegvédelmi megoldások (MOPP) esetén az alapszintű (egyszeres védelmi megoldás) és a megerősített (kétszeres védelmi megoldás) szigetelés ellenőrzéséhez használt tesztfeszültségeket.

1. táblázat: A légrés, a kúszóáramút, valamint a kezelővédelmi (MOOP), valamint a betegvédelmi megoldások (MOPP) esetén az alapszintű (egyszeres védelmi megoldás) és a megerősített (kétszeres védelmi megoldás) szigetelés ellenőrzéséhez használt tesztfeszültségértékek (táblázat: XP Power)

A kezelő- és betegvédelmi megoldásokat lefedő védelmi megoldások mellett a gyógyászati eszközök tápegységét úgy kell megtervezni, hogy korlátozza az érintési áram, valamint a betegen átfolyó mellékáram és a betegen átfolyó szivárgóáram erősségét. Az érintési áram megengedett legnagyobb értéke 100 μA normál körülmények között, és 500 μA egyszeri hiba esetén (SFC, single fault condition). Ez a követelmény a rendszer földre folyó szivárgóáramát normál üzemben ténylegesen 500 μA-re korlátozza.

Az érintési áramra, a betegen átfolyó mellékáramra és a betegen átfolyó szivárgóáramra vonatkozó követelmények komoly feladatot jelentenek a tervezők számára. Meg kell oldaniuk, hogy a tápegység biztosítsa a szükséges biztonsági szigetelést, miközben normál üzemmódban minimálisra csökkenti a szivárgóáramokat, hiba esetén pedig a beteg földtől való elszigetelésével nyújt védelmet.

Végül pedig a gyógyászati eszközöknek meg kell felelniük az IEC 60601-1-2 szabványban meghatározott elektromágneses összeférhetőségi követelményeknek is. E követelmények célja, hogy javítsák a berendezések védettségét az életfunkciók fenntartása szempontjából nélkülözhetetlen berendezések közelében működő számos vezeték nélküli távközlési eszközzel szemben. A követelmények másodlagos célja, hogy az elektromágneses összeférhetőséggel kapcsolatos iránymutatást adjanak a kórházon kívül használt berendezésekre vonatkozóan, amikor az elektromágneses összeférhetőséget általában kevésbé lehet ellenőrizni.

Az egyenáram-átalakítók használata második leválasztófokozatként

A speciális gyógyászati követelményekből adódó tervezési nehézségek csökkenthetők az egyenáram-átalakító gondos kiválasztásával, hogy azok második leválasztófokozatként működjenek. Ennek a fokozatnak a hozzáadása alapszintű szigetelést nyújt a váltakozó hálózati feszültséggel szemben. Emellett minimálisra csökkenti a be- és a kimenet közti kapacitást (körülbelül 20–50 pF-ra), ennek köszönhetően viszont mindössze néhány mikroamperre csökken a betegen átfolyó esetleges szivárgóáram (3. ábra).

3. ábra: Egy jóváhagyott egyenáram-átalakító (jobbra) használható a beteggel érintkező alkatrész feszültségének szabályozására, miközben egyszeres betegvédelmi szintű másodlagos szigetelést nyújt, és minimálisra csökkenti a betegen átfolyó esetleges szivárgóáramot (ábra: XP Power)

Például a fentebb ismertetett XP Power JMR sorozatú 10 W-os egyenáram-átalakítóknak IEC 60601-1 gyógyászati biztonsági jóváhagyásuk van, kétszeres betegvédelmi szintnek megfelelő az 5 kV-os megerősített váltakozó áramú szigetelésük, 17 pF a szigetelési kapacitásuk és 2 μA a betegen átfolyó szivárgóáramuk, ami lehetővé teszi a BF és CF minősítésű gyógyászati berendezések széles körébe való egyszerű beépítésüket.

A gyógyászati eszközrendszer és a kezelőszervek, valamint az egyenáram-átalakító közötti áramkör anélkül egészíthető ki elektromágneses zavarszűréssel – amely ahhoz szükséges, hogy a végtermék megfeleljen az IEC 60601-1-2 szabvány követelményeinek –, hogy a szigetelés vagy a kis szivárgóáramok veszélybe kerülnének. A 4. ábrán a javasolt, túlfeszültség és hirtelen feszültséglökések (EFT, electrical fast transient), illetve a B osztályú elektromágneses zavarok ellen védő zavarszűrő áramkör látható.

4. ábra: A JMR10 sorozatú egyenáram-átalakítókhoz ajánlott túlfeszültség és hirtelen feszültséglökések (1), illetve a B osztályú elektromágneses zavarok (2) ellen védő zavarszűrő áramkör (ábra: XP Power)

A 2. táblázat az ezekhez az áramkörökhöz ajánlott alkatrészek értékeit, illetve típusát mutatja akkor, ha a JMR10 sorozatú eszközöket 12 V, 24 V, illetve 48 V bemenőfeszültséggel használják

2. táblázat: A 4. ábrán látható áramkör ajánlott alkatrészértékei (táblázat: XP Power)

Összegzés

A modulrendszerű és nagy integráltsági fokú egyenáram-átalakítók leegyszerűsítik a gyógyászati rendszerekbe szánt megbízható, nagy teljesítményű tápegységek tervezését. A tervezőknek azonban körültekintően IEC 60601-1 tanúsítvánnyal rendelkező készüléket kell választaniuk, hogy az megfeleljen a szabvány a kezelők és a betegek biztonságára, valamint az elektromágneses összeférhetőségre vonatkozó követelményeinek.