Külső orvosi válóáramú tápegységek méreteinek csökkentése GaN-technológiával

Az akkumulátoros energiatárolási technológia és az alacsony fogyasztású áramkörök fejlődése ellenére az orvosi rendszerek azon felhasználási esetek egyike, ahol a külső tápellátástól teljesen független, kizárólag akkumulátorról üzemelő konstrukciók nem feltétlenül megvalósíthatók, praktikusak vagy elfogadhatók. A berendezésnek ehelyett gyakran közvetlenül a váltakozó áramú hálózatról kell működnie, vagy lennie kell a közelében egy hálózati váltakozó áramot biztosító konnektornak arra az esetre, ha az akkumulátor lemerül.

A váltóáramú tápegységek műszaki paramétereire vonatkozó alapvető előírások teljesítése mellett az orvosi tápegységeknek kevésbé nyilvánvaló működésbeli követelményeknek is meg kell felelniük, például a galvanikus leválasztásra, a névleges feszültségre, a szivárgási áramra és a védelmi megoldásokra (MOP) vonatkozó szabályozási előírásoknak. Ezek az előírások biztosítják, hogy a tápegységről táplált berendezés ne veszélyeztesse se a kezelőt, se a beteget, még akkor sem, ha a tápegység vagy a berendezés meghibásodik. Ugyanakkor az orvosi tápegységek tervezőinek a hatásfok további javítására kell törekedniük, valamint csökkenteniük a méretet és a súlyt.

Ez a cikk a külső váltóáramú tápegységek orvosi műszerekben való használatával foglalkozik, és a kapcsolódó szabályozási szabványokat tekinti át. Ezután bemutatja az XP Power néhány termékét, amelyek megfelelhetnek ezeknek a szabványoknak, de ugyanakkor a gallium-nitrid (GaN) alapú teljesítményelektronikai technológia előnyei is érvényesülnek, csaknem a felére csökkentve a tápegységek fizikai méretét.

Alapvető követelmények tápegységek tervezésekor

Egy váltóáramú tápegységnek egy adott feladatra való kiválasztásakor első lépésként át kell tekinteni annak szabványos paramétereit. A tápegység névleges egyenfeszültségének meg kell felelnie az adott célnak, és a berendezésnek képesnek lennie arra, hogy a terhelés számára az áramot ezen a feszültségen biztosítsa. Az univerzális tápegységeknek a bemeneti 47–63 Hz közötti frekvenciájú váltakozó feszültségek széles skálájával (jellemzően 85–264 VAC) kell kompatibilisnek lennie.

Ezen névleges bemeneti és kimeneti feszültség- és áramértékek a legfontosabb paraméterek, de mégsem írják le teljes körűen egy tápegység tulajdonságait. A további szempontok a következők:

• Dinamikus paraméterek, például az indítási késleltetés, az indítási felfutási idő, a feszültségfenntartási idő, a vonali és terhelés oldali szabályozás, a tranziensekre adott válasz, a kimeneti feszültségingadozás és zaj valamint a túllendülés
• Túlterhelés, rövidzárlat és túlmelegedés elleni védelem
• Hatásfokra vonatkozó előírások a tápegység maximális névleges teljesítményétől függően; ennek meghatározott értékekhez kell igazodnia a terhelési görbe mentén (beleértve a teljes terhelési, az alacsony terhelési és az üresjárati pontokat)
• Egyhez közelítő teljesítménytényező (PF); a teljesítményszint és a vonatkozó szabályozási szabvány határozza meg ennek konkrét értékét
• Elektromágneses kompatibilitás (EMC); ez alatt a tápegység által keltett maximális elektromágneses és rádiófrekvenciás zaj (EMI/RFI), valamint az elektrosztatikus kisüléssel (ESD), kisugárzott energiával, energiaimpulzusokkal, hálózati túlfeszültséggel és mágneses mezőkkel szembeni érzékenység értendő
• Alapvető biztonsági követelmények a felhasználók és a berendezések védelmét illetően, beleértve a bemenet-kimenet, a bemenet-föld, valamint a kimenet-föld közötti szigetelési feszültségeket

Orvosi tápegységekre vonatkozó követelmények

További szabványok és szabályozási előírások bonyolítják a helyzetet, amikor meg kell határozni, hogy egy tápegység alkalmas-e vagy sem egészségügyi berendezésekben való használatra. Ezek az előírások elsősorban a beteg és az ápoló (kezelő) biztonságára vonatkoznak, és annak biztosítását szolgálják, hogy az áramellátás ne veszélyeztesse egyiküket sem, egy vagy akár kettős hiba esetén.

A kóbor- vagy maradékáramok azok, amelyek aggodalomra adhatnak okot. A mellkasra – akár a másodperc tört részéig is – kerülő normál hálózati feszültség (110/230 V, 50 vagy 60 Hz) akár már 30 mA áram mellett is kamrafibrillációt idézhet elő. Ha az áram közvetlen utat talál a szívhez – például szívkatéteren vagy másfajta elektródán keresztül –, akkor már jóval 1 mA alatti váltakozó vagy egyenáram is okozhat fibrillációt.

Íme néhány szabványos küszöbérték, amelyre gyakran hivatkoznak a testen bőrkontaktus következtében átfolyó áramra vonatkozóan, bőrön aluli belső érintkezés esetén pedig a veszélyességi mutatók sokkal alacsonyabbak:

• 1 mA: alig érzékelhető
• 16 mA: az a legnagyobb áramerősség, amelynél egy átlagos testalkatú ember képes az áramforrás megfogására, majd elengedésére
• 20 mA: légzőizmok bénulása
• 100 mA: kamrai fibrilláció küszöbértéke
• 2 A: szívmegállás és a belső szervek károsodása

Ezek a szintek attól is függenek, hogy a test mely két pontja érintkezik az áramkörrel, vagyis hogy az áram útja például a mellkason keresztül, egyik kartól az azonos oldali lábig vagy a fejen át vezet-e. Ezért kritikus fontosságú, hogy a váltakozó áramú leválasztó transzformátorok dielektromos szigetelésén keresztül szivárgó áramok értéke minimális legyen.

Ésszerű feltételezés, hogy ha a szigetelőanyag minősége megfelelő, akkor a szivárgó áram akár el is hanyagolható, és habár az áram fizikailag is „szivároghat” két vezető közötti tökéletlen szigetelés miatt, ebben az esetben a két vezető közötti kapacitív csatolás miatt keletkező áramról van szó, amely még a kiváló minőségű szigetelés esetén is jelentkezhet.

A lenti ábrán egy ideális transzformátort modellező egyszerűsített rajz látható. Ennél transzformátornál a galvanikus (ohmos) leválasztás tökéletes a transzformátor primer és szekunder oldala között (1. ábra).

1. ábra: Ezen az ideális egyszerű transzformátort ábrázoló rajzon az látható, hogy nincs útja az áramnak a primer oldalról a szekunder oldalra (kép: Power Sources Manufacturers Association)

Ideális transzformátor esetén a váltakozó áramú hálózatból nem folyhat közvetlenül áram az árammal táplált készülékbe – így a kialakított áramhurkon át a teljes áram visszafolyik a váltakozó áramú hálózatba – még akkor sem, ha egy alkatrész hibája vagy valamilyen huzalozási hiba új áramutat hoz létre a szekunder oldalon. Azonban egyetlen transzformátor sem tökéletes, és a primer-szekunder tekercsek közötti kapacitással számolni kell (2. ábra).

2. ábra: Ezen a valósághűbb transzformátort modellező rajzon látható, hogy mindig van valamekkora tekercsközi kapacitás (C_ps1) a primer és a szekunder oldal között (kép: Power Sources Manufacturers Association)

Egy valósághűbb modell a tekercselési kapacitás további forrásai is tartalmazza (3. ábra).

3. ábra: Az első tekercsközi kapacitáson (C_ps1) kívül a transzformátorra további kapacitásértékek is jellemzők (kép: Power Sources Manufacturers Association)

Ezen nemkívánatos kapacitás következtében szivárgási áram folyhat, melynek értéke számos változótól függ, például a vezetékmérettől, a tekercselés kialakításától, valamint a transzformátor alakjától és méretétől. A kapacitásérték a csupán 1 pF-tól néhány µF-ig terjedhet. A transzformátorok kapacitív szivárgási áramán kívül az egyéb nem szándékos kapacitások közé tartoznak még a nyomtatott áramköri lapokon lévő vezetősávok közötti távolságból eredő kapacitás, a félvezetők és a földelt hűtőbordák közötti szigetelés, valamint az egyéb alkatrészek közötti parazitakapacitások is.

A transzformátoroknál jelentkező kapacitások miatti szivárgási áram nem az egyetlen probléma a gyógyászati előírásoknak megfelelő tápegységeknél. A váltakozó árammal kapcsolatos elemi biztonság és szigetelés is elsődleges fontosságú. A feszültségtől és a teljesítményszintektől függően a tápegységeknél egy második, független szigetelési megoldásra (vagy fizikailag megerősített szigetelésre) is szükség lehet az elsődleges mellett. A szigetelés minősége idővel a szélsőséges hőmérsékleti viszonyok, a nagyfeszültség okozta stressz és a túlfeszültség miatt is romlik, bár még mindig megfelelhet a névleges értéknek.

Az első szigetelési réteget általában „alapszintű szigetelésnek” nevezik, ilyen például a vezetékeken általában használt szigetelés. A második réteg gyakran egy szigetelt burkolat, amilyennel sok falra szerelhető és asztali tápegységnél találkozhatunk.

Szabványok és védelmi megoldások

A gyógyászati elektronikára és annak biztonságára vonatkozó elsődleges szabvány az IEC 60601-1. A legújabb (4.) kiadás még jobban előtérbe helyezi a betegközpontúságot, és olyan átfogó védelmi megoldásokat ír elő, amelyek egy vagy több kezelővédelmi (MOOP) és betegvédelmi megoldást (MOPP) kombinálnak.

A biztonsági szabványokban érintésvédelmi osztályokat definiáltak a kezelővédelmi megoldások (MOOP) biztosítására vonatkozóan. Ezek az I. és II. osztályok, melyek a tápegységek felépítését és szigetelését szabályozzák. Az I. osztályba tartozó készülékek valamilyen vezető anyagból készült, védőföldre kötött vázzal rendelkeznek. A helyi fali csatlakozó aljzatokkal való kompatibilitás egyszerűsítése érdekében ezekbe a tápegységekbe IEC320-C14 típusú csatlakozókat építenek, melyekhez a felhasználó által biztosított és védőföld vezetéket tartalmazó tápkábelek csatlakoztathatók (4. ábra, balra).

Ezzel szemben a II. osztályú tápegységek kétvezetékes tápkábellel rendelkeznek, a védőföldhöz való külön csatlakozással (4. ábra, jobbra). Mivel nincs földelt vázuk, ezért kétrétegű szigeteléssel (vagy egyrétegű megerősített szigeteléssel) rendelkeznek a felhasználó és a belső áramvezető vezetékek között.

4. ábra: Az I. (balra) és II. osztályú (jobbra) készülékek a szabványos IEC csatlakozóaljzatokkal kompatibilis földelt háromvezetékes vagy földeletlen kétvezetékes váltakozó áramú hálózati csatlakozó aljzatokkal rendelkeznek, és a felhasználó biztosítja hozzájuk a hálózati kábeleket (kép: XP Power)

Tehát, az orvosi használatra szánt és I. vagy II. osztályba sorolt válóáramú tápegységeket kifejezetten a vonatkozó szabványoknak megfelelően kell megtervezni és tesztelni. Szerencsére a tápegységgyártók, mint például az XP Power, általában ismerik azon kötelező műszaki, gyártási és tanúsítási folyamatokat, melyekhez igazodni kell az említett szabványoknak megfelelő tápegységek gyártásakor.

A méret is számít

Az orvosi váltóáramú tápegységekre vonatkozó műszaki követelmények és szabályozási előírások nem foglalkoznak a fizikai mérettel, pedig a méret is számít. A nagyméretű tápegységek bonyolulttá teszik a tápellátás biztosítását szűkösebb rendelkezésre álló hely esetén, például mentőautókban vagy klinikai környezetben, ahol a mobil kocsik és az íróasztalok helykapacitása korlátozott.

Ezekben a helyzetekben előnyös csökkenteni a hálózati tápegységek méretét, de ez különböző megoldandó problémákat von magával. A tápegységeket nem lehet végtelenül zsugorítani, mivel be kell tartani a szigetelésre, a kúszóáramútra és az átütési távolságokra vonatkozó szabályozási irányelveket.

A másik probléma a tápegység méretének csökkentésével a hőelvezetés. Ha a tápegység térfogata és burkolatának felülete nem megfelelő, a belső hőmérséklet magasabb lesz, mint egy nagyobb tápegységnél, degradálva a belső aktív, passzív és szigetelő alkatrészek működését. Az aktív légáramlással (ventilátorral) történő hűtés elfogadhatatlan a légvezető csatornák esetleges elzáródása, a hosszú távú megbízhatósági problémák és a hozzáadott környezeti zaj miatt.

Továbbá, a keletkező hő hatására a tápegység burkolatának felületi hőmérséklete túllépheti a megengedett szintet, veszélyeztetve a betegeket és a kezelőket. A tápegység-méretek csökkentésének kulcsa a jól megválasztott áramköri kapcsolóelemek használatában rejlik, melyek segítségével a keletkező hő minimalizálható.

Itt van az, ahol a GaN-alapú kapcsolóeszközök egyértelmű előnyöket kínálnak a szilíciummal (Si) szemben. Alacsonyabb soros ellenállásuknak, gyorsabb kapcsolási idejüknek és az alacsonyabb záróirányú tárolt töltésnek (reverse recovery charge, Qrr) köszönhetően veszteségeik kisebbek, így nagyobb hatásfokú, alacsonyabb belső hőmérsékletű és kompaktabb kapcsolóüzemű tápegységek megépítését teszik lehetővé.

Példa erre az XP-Power AQM sorozatához tartozó AQM200PS19. A tápegység névleges kimeneti feszültsége és árama 19 volt / 10,6 amper, és az I. osztályba tartozik. Mérete körülbelül 167 × 54 × 33 mm, vagyis feleakkora mint az ilyen teljesítményű hagyományos tápegységek, és súlya mindössze 600 gramm (5. ábra).

5. ábra: Az AQM200PS19 egy 200 wattos, 92%-os hatásfokú, 19 V / 10,6 A névleges kimeneti feszültségű illetve áramú, I. osztályba tartozó tápegység (kép: XP Power)

Ez a külső tápegység teljes mértékben megfelel a nemzetközi orvosi szabványoknak. További villamos paraméterei többek között a 100 µA-en aluli betegirányú szivárgási áram, a 92%-os tipikus hatásfok, a 0,15 W-nál kisebb teljesítményfelévétel készenléti állapotban és a 0,9-en felüli teljesítménytényező (PF).

Gyárthatók I. és II. osztályú változatban is, és a 0 °C és 60 °C közötti névleges külső hőmérséklettartományban való használatra tervezték őket. Teljesen zárt, IP22-es védettségi fokozatú házzal rendelkeznek, és sima felületük megkönnyíti a tisztítást orvosi környezetben.

A nagyobb teljesítményű rendszerekhez az XP Power az AQM300PS48-C2-t, egy 300 wattos, II. osztályú, 48 V / 6,25 A névleges kimeneti teljesítményű, készenléti állapotban 0,5 watton aluli teljesítményfelvételű készülékét kínálja. Bár az előzőnél valamivel nagyobb, ez a tápegység még mindig kompakt, mindössze 183 × 85 × 35 mm méretű, 1050 g súllyal.

A 250 wattos névleges teljesítményű kategóriában az XP Power kínálatában az AQM250PS24 szerepel, amely egy 24 V / 10,4 A kimeneti teljesítményű, I. osztályú tápegység, 0,15 watton aluli energiafogyasztással készenléti állapotban. Méretei: 172 × 67,1 × 32 mm.

Összegzés

Az orvosi berendezések külső, önálló váltóáramú tápegységeinek szigorú szabályozási, működési, teljesítménybeli, biztonsági és hatásfokbeli követelményeknek kell megfelelniük. Az XP Power orvosi minősítésű külső tápegységek AQM sorozata a GaN-technológiás eszközök használatának köszönhetően túlteljesíti ezeket a követelményeket, feleakkora méretű külső készülékházzal, mint a klasszikus Si-alapú tápegységek.