Kiezen en toepassen van de optimale DC/DC-omvormer voor medische toepassingen

Het ontwerpen van een voeding die op netstroom of batterijen werkt, is lastig. De ontwerper moet een oplossing ontwikkelen die een stabiele spanning en stroom levert bij wisselende belastingen en die tegelijkertijd efficiënt is om vermogensdissipatie te minimaliseren. Wanneer de voeding echter bedoeld is voor een medisch hulpmiddel, wordt het ontwerp gecompliceerder vanwege elektromagnetische compatibiliteit (EMC), strenge veiligheidseisen met betrekking tot elektrisch contact met de patiënt en bescherming tegen elektromagnetische interferentie (EMI).

Om aan deze vereisten te voldoen is kostbaar en tijdrovend voor ontwerpers die medische voedingen van de grond af aan ontwikkelen. Commerciële modulaire DC/DC-omvormers zijn een alternatief, maar men moet voorzichtig te werk gaan bij het selecteren en toepassen van deze oplossingen.

Dit artikel beschrijft kort de rol van een DC/DC-omvormer in een voedingscircuit en schetst de selectiecriteria en speciale overwegingen die vereist zijn voor medische toepassingen. Vervolgens worden voorbeeldapparaten van XP Power geïntroduceerd en wordt een toepassingsmodel getoond.

De rol van een DC/DC-omvormer

Hoewel accu’s een nominale spanning hebben, wordt het vermogen beïnvloed door factoren zoals laadstatus, piekvraag en temperatuur. Een belangrijk kenmerk is dat de uitgangsspanning afneemt naarmate de batterij ontlaadt. IC’s en andere gevoelige componenten hebben echter een constante spanning nodig om goed te functioneren. Een DC/DC-omvormer biedt een oplossing door de ingangsspanning te regelen en zo een betrouwbare en consistente uitgangsspanning (of uitgangsspanningen) te leveren om het eindproduct van stroom te voorzien.

DC/DC-omvormers komen ook veel voor in producten die op netvoeding werken. Een initiële AC/DC-omvormer regelt het wisselspanningsnet naar een DC-spanning met een of meer DC/DC-omvormers. Vervolgens brengt verdere regeling die spanning op een geschikt niveau voor het eindproduct.

Topologieën voor DC/DC-omvormers kunnen lineair of schakelend zijn. Lineaire regelaars zijn eenvoudige en robuuste apparaten, maar hun efficiëntie neemt af naarmate het verschil tussen de ingangs- en uitgangsspanning groter wordt. Bovendien kunnen lineaire regelaars alleen omlaag stappen (buck) en niet omhoog (boost) of een spanning omkeren. Het niet kunnen opvoeren van spanningen laat onbenut potentieel in batterijen achter.

Schakelende regelaars gebruiken een schakelelement dat pulsbreedtegemoduleerd (PWM) is en meestal bestaat uit een of twee MOSFET’s die gekoppeld zijn aan een of twee spoelen en condensatoren voor energieopslag en filtering. De belangrijkste redenen waarom ontwerpers schakelende regelaars kiezen, zijn hoge efficiëntie en hoge vermogensdichtheid. Bovendien kunnen de regelaars spanningen opvoeren (boost), verlagen (buck) en omkeren.

De uitdagingen voor ontwerpers die schakelende regelaars gebruiken zijn onder andere de complexiteit van het ontwerp, de kosten en mogelijke EMI-problemen vanwege de schakelende elementen. Het is mogelijk om een DC/DC-schakelregelaar vanaf nul te ontwerpen en zo'n aanpak kan wat kosten en ruimte besparen, maar het is complex en tijdrovend. Als alternatief kan uit het brede aanbod van commerciële modules worden gekozen, zoals de JMR-serie van XP Power, die de primaire elementen van de schakelende regelaar integreert in een enkel component die compact en betrouwbaar is en eenvoudig in een product kan worden gebruikt (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Modulaire componenten zoals de JMR-serie integreren de primaire elementen van een DC/DC-schakelregelaar in één apparaat dat compact, betrouwbaar en eenvoudig te ontwerpen is. (Bron afbeelding: XP Power)

Een DC/DC-omvormer selecteren

Er zijn veel factoren waar rekening mee moet worden gehouden bij het kiezen van een DC/DC-omvormer. Sommige liggen voor de hand: de toepassing bepaalt bijvoorbeeld de ingangs- en uitgangsspanningen en de ingangs- en uitgangsstroom. Anderen zijn genuanceerder. Om bijvoorbeeld de efficiëntie te maximaliseren, moet rekening worden gehouden met het typische belastingsprofiel van het eindproduct. De ontwerper moet ook de rendementscurves op het gegevensblad van de geselecteerde DC/DC-omvormers bestuderen om er zeker van te zijn dat het eindproduct doorgaans werkt bij de optimale efficiëntie van de omvormer.

De JMR1024S05 van XP Power is een goed voorbeeld van een DC/DC-omvormer voor een medische toepassing. Deze omvormer is een ultracompact, op de printplaat gemonteerd medisch apparaatje van 20,3 x 31,8 x 10,2 millimeter (mm), met THT-pennen van 3 mm. De omvormer heeft een uitgang van 5 V uit een nominale ingang van 24 V (min. 9 V, max. 36 V). De module heeft een maximale uitgangsstroom van 2 ampère (A) en een ingangsstroom bij volle belasting van 491 milliampère (mA). De uitgangsrimpelspanning is 75 millivolt (mV) piek tot piek (pk-pk) en het rendement is 84,9%.

De module heeft een laag nullastverbruik van 6 mA, wat de efficiëntie verhoogt en de vermogensdissipatie verlaagt. Er kan nog eens 3 mA op het stroomverbruik bij nullast worden bespaard door de module op afstand te blokkeren (afbeelding 2). De module is aan als pen 1 een open circuit is; de module is uit als pen 1 verbonden is met een stroombron van 2 mA tot 4 mA, of als er 2,2 V tot 12 V op pen 1 wordt gezet ten opzichte van pen 2.

Afbeelding 2: Het nullastverbruik van de JMR1024S05 kan worden teruggebracht tot 3 mA door de module op afstand te blokkeren. (Bron afbeelding: XP Power)

XP Power biedt alternatieven in hun 10 watt-lijn. De JMR1048S12 heeft bijvoorbeeld een nominale ingang van 48 V (18 V tot 75 V) en levert een uitgang van 12 V met een maximale uitgangsstroom van 833 mA. De ingangsstroom bij vollast is 237 mA en in deze toestand is de efficiëntie 88%.

De JMR1012D15 heeft een nominale ingang van 12 V (4,5 V tot 18 V) en levert een uitgang van ±15 V met een maximale stroom van 333 mA. De ingangsstroom bij vollast is 957 mA en in deze toestand is de efficiëntie 87%.

De schakelfrequentie voor de JMR 10 watt-serie is 300 kilohertz (kHz).

Speciale vereisten voor medische toepassingen

Bij medische producten moet de DC/DC-omvormer aan hogere eisen voldoen omdat de elektrische componenten die in het eindproduct worden gebruikt, onderworpen zijn aan strenge veiligheidsgoedkeuringen op basis van de IEC 60601-1-norm.

Volgens IEC 60601-1 wordt het ‘toegepaste onderdeel’ gedefinieerd als het element van het medische hulpmiddel dat in direct contact komt met een patiënt, of onderdelen heeft die in contact kunnen komen met de patiënt tijdens normaal gebruik van het product. De norm definieert toegepaste onderdelen op basis van het type contact met de patiënt en de aard van het medische hulpmiddel.

De classificatie ‘type B’ wordt gegeven aan toegepaste onderdelen die over het algemeen niet-geleidend zijn en met aarde verbonden mogen worden. ‘Type BF’ (body floating) wordt gegeven aan toegepaste onderdelen die elektrisch verbonden zijn met de patiënt en die zwevend moeten zijn en gescheiden van aarde. Bij type BF behoren geen toegepaste onderdelen die in direct contact staan met het hart. Een classificatie ‘type CF’ (cardiac floating) wordt gegeven aan toegepaste onderdelen die geschikt zijn voor directe hartverbinding. Toegepaste onderdelen van het type CF moeten zwevend zijn en gescheiden van aarde.

Op de patiënt aangesloten medische hulpmiddelen moeten voorzien zijn van beschermingsmiddelen (means of protection of MOP) om te voorkomen dat toegepaste onderdelen (en andere toegankelijke onderdelen) de beperkingen van spanning, stroom of energie overschrijden. Een aardaansluiting die aan de eisen voldoet, levert 1 x MOP, basisisolatie levert ook 1 x MOP en versterkte isolatie levert 2 x MOP.

MOP kan verder worden gecategoriseerd als middelen ter bescherming van de operator (MOOP) en middelen ter bescherming van de patiënt (MOPP). Voor hulpmiddelen die bedoeld zijn voor aansluiting op de patiënt zijn 2 x MOPP vereist.

Voedingen voor medische hulpmiddelen van type BF en type CF moeten 2 x MOPP van primair naar secundair en 1 x MOPP van primair naar aarde leveren. Aanvullende veiligheidsisolatie van een secundaire uitgang van de voeding naar aarde moet ook een nominale waarde hebben van 1 x MOPP voor de inkomende AC-lijnspanning met de hoogste rating. Tabel 1 toont de luchtweg, kruipafstand en testspanningen voor basisisolatie (1 x MOP) en versterkte isolatie (2 x MOP) in zowel MOOP- als MOPP-toepassingen.

Tabel 1: Luchtweg, kruipafstand en testspanningen voor basisisolatie (1 x MOP) en versterkte isolatie (2 x MOP) in zowel MOOP- als MOPP-toepassingen. (Bron tabel: XP Power)

Naast MOP voor MOOP- en MOPP-toepassingen moet de voeding voor een medisch hulpmiddel ontworpen zijn om de aanraakstroom, hulpstroom door de patiënt en lekstroom door de patiënt te beperken. De maximaal toegestane waarden voor de aanraakstroom zijn 100 microampère (μA) in normale omstandigheden en 500 μA in een ‘single fault condition’ (SFC). Deze vereiste beperkt de aardlekstroom van het systeem effectief tot 500 μA bij normaal bedrijf.

De vereisten voor aanraakstroom, voor de patiënt toegestane hulpstroom en voor de patiënt toegestane lekstroom vormen een uitdaging voor ontwerpers. Ze moeten ervoor zorgen dat de voeding de vereiste veiligheidsisolatie biedt en tegelijkertijd de lekstromen onder normale bedrijfsomstandigheden minimaliseert en bescherming biedt onder storingsomstandigheden door de patiënt van aarde te isoleren.

Ten slotte moet het medische hulpmiddel voldoen aan de EMC-vereisten die zijn beschreven in IEC 60601-1-2. Deze vereisten zijn bedoeld om de immuniteit van apparatuur te verbeteren voor de vele draadloze communicatieapparaten die in de buurt van levenskritieke apparatuur werken. Het secundaire doel van de vereisten is om EMC-richtlijnen te bieden voor apparatuur die buiten het ziekenhuis wordt gebruikt, wanneer er doorgaans minder controle is over de EMC-omgeving.

Een DC/DC-omvormer gebruiken als tweede isolatietrap

De ontwerpuitdagingen van speciale medische vereisten kunnen worden beperkt door zorgvuldig een DC/DC-omvormer te kiezen om een tweede isolatietrap te introduceren. De toevoeging van deze trap zorgt voor een basisisolatie bij AC-lijnspanning. Het minimaliseert ook de ingangs- uitgangscapaciteit (tot ongeveer 20 tot 50 picofarad (pF)), waardoor de potentiële lekstroom door de patiënt wordt beperkt tot slechts enkele microampère (afbeelding 3).

Afbeelding 3: Een goedgekeurde DC/DC-omvormer (rechts) kan worden gebruikt voor spanningsregeling naar het toegepaste onderdeel terwijl secundaire isolatie voor 1 x MOPP wordt geleverd en potentiële lekstroom door de patiënt wordt geminimaliseerd. (Bron afbeelding: XP Power)

De hierboven beschreven JMR-serie 10 watt DC/DC-omvormers van XP Power hebben bijvoorbeeld IEC 60601-1-goedkeuring van de medische veiligheidsinstantie, 2 x MOPP 5 kilovolt (kV) AC versterkte isolatie, 17 pF isolatiecapaciteit en 2 μA patiëntlekstroom, waardoor ze eenvoudig kunnen worden geïntegreerd in een groot aantal type BF en CF medische toepassingen.

EMC-filtering, wat nodig is voor naleving van het eindproduct aan de vereisten van IEC 60601-1-2, kan worden toegevoegd aan het circuit tussen het systeem en de besturing van het medische hulpmiddel en de DC/DC-omvormer zonder de isolatie of lage lekstromen in gevaar te brengen. Afbeelding 4 illustreert aanbevolen EMC-filtercircuits voor piekspanningen en elektrische snelle overgangen (EFT) en EMI klasse B.

Afbeelding 4: Aanbevolen EMC-filtercircuits voor piekspanning en EFT en EMI klasse B voor gebruik met DC/DC-omvormers uit de JMR10-serie. (Bron afbeelding: XP Power)

Tabel 2 toont de aanbevolen componentwaarden voor deze circuits bij gebruik van de apparaten uit de JMR10-serie met ingangsspanningen van 12 V, 24 V en 48 V.

Tabel 2: Aanbevolen componentwaarden voor de schakelingen in afbeelding 4. (Bron tabel: XP Power)

Conclusie

Modulaire en sterk geïntegreerde DC/DC-omvormers vereenvoudigen het ontwerp van betrouwbare, krachtige voedingen voor medische systemen. Toch moeten ontwerpers zorgvuldig een apparaat kiezen met IEC 60601-1-certificering om er zeker van te zijn dat het voldoet aan de vereisten van de norm voor operator- en patiëntveiligheid en EMC.