GaN-apparaten gebruiken om externe medische AC/DC-voedingen te verkleinen

Ondanks de vooruitgang in batterijtechnologie en energiezuinige circuits zijn medische systemen een van de vele toepassingen waarbij volledig ongebonden ontwerpen met alleen batterijen niet haalbaar, praktisch of acceptabel zijn. In plaats daarvan moet de apparatuur vaak rechtstreeks op een AC-lijn werken of op zijn minst kunnen vertrouwen op een AC-stopcontact voor gebruik wanneer de batterijen bijna leeg zijn.

Naast het voldoen aan de basisspecificaties voor de prestaties van AC/DC-voedingen, moeten medische voedingen voldoen aan wettelijke vereisten voor minder voor de hand liggende prestatieoverwegingen, zoals galvanische isolatie, spanningswaarden, lekstroom en beschermingsmaatregelen (MOP). Deze normen zijn er om ervoor te zorgen dat de aangedreven eenheid de gebruiker of de patiënt niet in gevaar brengt, zelfs als er storingen zijn in de voeding of de belasting. Tegelijkertijd moeten ontwerpers van medische voedingen doorgaan met het verbeteren van de efficiëntie en het reduceren van omvang en gewicht.

Dit artikel bespreekt het gebruik van externe AC/DC-voedingen in medische instrumenten en bespreekt de bijbehorende regelgevende normen. Vervolgens worden producten van XP Power geïntroduceerd die ontwerpers kunnen gebruiken om aan deze normen te voldoen, terwijl ze ook profiteren van voedingsapparaten met galliumnitride (GaN) om de fysieke afmetingen van de voeding met bijna de helft te verminderen.

Basisvereisten voor het ontwerp van de voeding

Het selecteren van een AC/DC-voeding begint met de standaard prestatieparameters voor voedingen. De voeding moet de nominale gelijkspanning leveren en de nominale stroom bij die spanning kunnen leveren om de belasting te ondersteunen. Een universele voeding moet geschikt zijn voor een breed scala aan AC-ingangsspanningen (meestal 85 volt AC (VAC) tot 264 VAC) bij frequenties van 47 tot 63 Hertz (Hz).

Deze ingangs- en uitgangsspanning en stroomwaarden zijn kritisch, maar onvoldoende om een voeding volledig te definiëren. Andere overwegingen zijn onder andere:

• Dynamische prestatiekenmerken, zoals opstartvertraging, opstartstijgtijd, hold-uptijd, lijn- en belastingsregeling, transiëntrespons, rimpel en ruis, en overshoot
• Bescherming tegen overbelasting, kortsluiting en overtemperatuur
• Efficiëntievereisten, die een functie zijn van het maximale vermogen van de voeding en specifieke waarden moeten hebben langs de belastingscurve, inclusief punten voor vollast, laaglast en nullast
• Een vermogensfactor (PF) dicht bij eenheid, waarbij het specifieke PF-getal een functie is van het vermogensniveau en de regelgevende norm
• Elektromagnetische compatibiliteit (EMC), die de maximale elektromagnetische interferentie (EMI)/radiofrequentie-interferentie (RFI) van de voeding karakteriseert, evenals de gevoeligheid voor elektrostatische ontlading (ESD), uitgestraalde energie, energie-uitbarstingen, lijnpieken en magnetische velden.
• Veiligheid, die basisvereisten definieert om de gebruiker en de apparatuur te beschermen, inclusief isolatiespanning tussen ingang en uitgang, ingang en aarde en uitgang en aarde.

Vereisten voor medische voedingen

Aanvullende normen en regelgevende mandaten maken het nog ingewikkelder om een voeding voor medische toepassingen te evalueren. Deze hebben in de eerste plaats betrekking op de veiligheid van de patiënt en de operator, door ervoor te zorgen dat de voeding geen van beiden in gevaar brengt in geval van een enkele of zelfs een dubbele storing.

Veel van de zorgen hebben betrekking op zwerf- of lekstromen. Een standaard lijnspanning (110/230 volt; 50 of 60 Hz) over de borst, zelfs gedurende een fractie van een seconde, kan ventriculaire fibrillatie induceren bij stromen van slechts 30 milliampère (mA). Als de stroom een directe weg naar het hart heeft, zoals via een hartkatheter of een andere elektrode, kan een veel lagere stroom van minder dan 1 mA (AC of DC) fibrillatie veroorzaken.

Dit zijn enkele standaard drempelwaarden die vaak worden genoemd voor stroom door het lichaam via contact met de huid, en de gevaarcijfers zijn veel lager voor inwendig contact:

• 1 mA: nauwelijks waarneembaar
• 16 mA: maximale stroom die een persoon van gemiddelde grootte kan vastpakken en "loslaten".
• 20 mA: verlamming van de ademhalingsspieren
• 100 mA: drempel voor ventriculaire fibrillatie
• 2 A: hartstilstand en schade aan inwendige organen

De risiconiveaus zijn ook een functie van het pad van de stroom door twee contactpunten met het lichaam, zoals over of door de borst, of van een arm naar beneden naar de voeten. Daarom is het minimaliseren van lekstromen die door de diëlektrische isolatie van een AC-isolatietransformator gaan van cruciaal belang.

Het lijkt misschien dat de hoeveelheid lekstroom te verwaarlozen is met isolatie van voldoende kwaliteit. Hoewel deze lekkage stroom kan zijn die fysiek "doorlekt" vanwege de niet-perfecte aard van de isolatie, kan deze ook het gevolg zijn van capacitief gekoppelde stromen die zelfs uitzonderlijke isolatie kunnen doorkruisen.

Een vereenvoudigd model van een ideale transformator toont een perfecte galvanische (ohmse) isolatie tussen de primaire en secundaire zijde (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een basismodel van een transformator laat zien dat er geen stroomweg is van de primaire zijde naar de secundaire zijde. (Bron afbeelding: Vereniging van fabrikanten van energiebronnen)

Met een ideale transformator kan er geen stroom rechtstreeks van het wisselstroomnet naar het gevoede product lopen om een volledige stroomlus terug naar het wisselstroomnet te vormen, zelfs niet als een storing in een component of bedrading een nieuw stroompad aan de secundaire zijde oplevert. Geen enkele transformator is echter perfect en er wordt primaire naar secundaire wikkelcapaciteit verwacht (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Een realistischer model toont de basiscapaciteit tussen de wikkelingen (C_ps1) tussen de primaire en secundaire zijde. (Bron afbeelding: Vereniging van fabrikanten van energiebronnen)

Een geavanceerder model voegt extra bronnen van capaciteit tussen de wikkelingen toe (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Er zijn nog andere transformatorcapaciteiten naast de eerste tussenwikkeling (C_ps1). (Bron afbeelding: Vereniging van fabrikanten van energiebronnen)

Deze ongewenste capaciteit maakt lekstromen mogelijk en de waarde ervan is een functie van vele variabelen, zoals draadgrootte, wikkelpatroon en transformatorgeometrie. De waarde kan variëren van een picofarad (pF) tot een paar microfarads (µF). Naast lekkage op basis van transformatorcapaciteiten zijn andere bronnen van onbedoelde capaciteiten afstanden op printplaten, isolatie tussen halfgeleiders en een geaard koellichaam en parasieten tussen andere componenten.

Lekstroom van de transformator als gevolg van capaciteit is niet de enige zorg die medische voedingsvoorschriften aanpakken. Basisveiligheid van AC en isolatie zijn een prioriteit. Afhankelijk van de spannings- en vermogensniveaus kan er voor leveringen ook een tweede, onafhankelijke isolatiebarrière nodig zijn naast de primaire barrière (of fysiek versterkte isolatie). De isolatieprestaties nemen na verloop van tijd ook af door temperatuurextremen, spanning door hoge spanning en spanningspieken, hoewel ze nog steeds aan de nominale waarde kunnen voldoen.

De eerste isolatielaag wordt meestal "basisisolatie" genoemd. Een voorbeeld hiervan is draadisolatie. De tweede laag is vaak een geïsoleerde behuizing, zoals te zien is bij veel voedingen voor wandmontage en desktopcomputers.

Normen en beschermingsmiddelen (MoP)

De primaire norm voor medische elektronica en veiligheid is IEC 60601-1. De meest recente (4^e) editie breidt de focus op de patiënt uit door een algemene beschermingswijze (MOP) te vereisen die een of meer "middelen ter bescherming van de operator" (MOOP) en "middelen ter bescherming van de patiënt" (MOPP) combineert.

Regelgevende normen hebben ook beschermingsklassen gecreëerd rond de manier waarop MOOP wordt verstrekt. Deze worden klasse I en klasse II genoemd en bepalen de constructie en isolatie van voedingen. Een product van klasse I heeft een geleidend chassis dat is aangesloten op de veiligheidsaarding. Om de compatibiliteit met lokale stopcontacten te vereenvoudigen, heeft de voeding een IEC320-C14-receptacle voor een door de gebruiker geleverd netsnoer met een aardingsgeleider (Afbeelding 4, links).

Voedingen van klasse II hebben daarentegen een tweedraads netsnoer met een veiligheidsaardeaansluiting (Afbeelding 4, rechts). Door het ontbreken van een geaard chassis bevinden er zich twee lagen isolatie (of een enkele laag versterkte isolatie) tussen de gebruiker en de interne stroomvoerende geleiders.

Afbeelding 4: Apparaten van klasse I (links) en klasse II (rechts) hebben geaarde driedraads of ongeaarde tweedraads wisselstroomaansluitingen, die vaak worden gebruikt met standaard IEC-contactdozen en door de gebruiker geleverde netsnoeren. (Bron afbeelding: XP Power)

Het resultaat is dat elke AC/DC-voeding die bestemd is voor medische toepassingen en gecertificeerd is als klasse I of klasse II, speciaal ontworpen en getest moet worden volgens de relevante normen. Gelukkig begrijpen leveranciers van voedingen zoals XP Power de technische, productie- en certificeringskwesties die nodig zijn om voedingen te leveren die aan deze normen voldoen.

Grootte is ook belangrijk

De technische vereisten en regelgevende mandaten voor medische AC/DC-voedingen houden zich niet bezig met fysieke afmetingen, maar toch is grootte belangrijk. Grote voorraden bemoeilijken de bediening ter plekke waar de ruimte beperkt is, zoals in een ambulance of een klinische omgeving waar mobiele wagens en bureaus weinig ruimte bieden.

Het verkleinen van de AC/DC-voeding zou in deze situaties gunstig zijn, maar het is een uitdaging. De minimale afmetingen van de voeding worden beperkt door de noodzaak om te voldoen aan de wettelijke richtlijnen voor isolatie, kruipruimte en vrije ruimte.

Een ander probleem bij het verkleinen van de voeding is de thermische dissipatie. Als het volume en het pakketoppervlak van de voeding onvoldoende zijn, zal de interne temperatuur hoger zijn dan bij een grotere voeding, waardoor de interne actieve, passieve en isolerende componenten worden aangetast. Geforceerde luchtkoeling is onaanvaardbaar vanwege mogelijke blokkering van de luchtstroom, betrouwbaarheid op lange termijn en extra omgevingsgeluid.

Bovendien kan de gegenereerde hitte de oppervlaktetemperatuur van de toevoerkast doen stijgen tot boven het aanvaardbare niveau, waardoor patiënten en operators gevaar lopen. De sleutel tot het verkleinen van voedingen is het gebruik van de juiste circuitschakelcomponenten om de gegenereerde warmte te minimaliseren.

Hier bieden op GaN gebaseerde schakelapparaten duidelijke voordelen ten opzichte van silicium (Si). Hun lagere serieweerstand, snellere schakeltijden en lagere omgekeerde herstellading verminderen de verliezen, wat resulteert in een efficiëntere, koelere en compactere schakelende voeding.

Een voorbeeld is de AQM200PS19 van XP-Power, een lid van de AQM-serie. De voeding is berekend op 19 volt/10,6 ampère (A) klasse I. Het apparaat meet ongeveer 167 × 54 × 33 millimeter (mm), de helft van een traditionele voeding met deze afmetingen, en weegt slechts 600 gram (g) (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De AQM200PS19 is een 200 watt klasse I-unit die 19 volt levert bij maximaal 10,6 A met 92% efficiëntie. (Bron afbeelding: XP Power)

Deze externe voeding is volledig goedgekeurd volgens internationale medische normen. De elektrische parameters omvatten een lekstroom voor de patiënt van minder dan 100 microampère (µA), een typische efficiëntie van 92%, een stand-by stroomverbruik van minder dan 0,15 watt en een PF van >0,9.

De voeding is verkrijgbaar in zowel klasse I- als klasse II-versies en is geschikt voor gebruik bij 0° tot 60°C. De behuizing is volledig afgedicht en voldoet aan IP22. De gladde afwerking vergemakkelijkt het reinigen in medische omgevingen.

Voor systemen met een hoger vermogen heeft XP Power de AQM300PS48-C2, een klasse II-unit van 300 watt met een uitgangsvermogen van 48 volt/6,25 A en een stand-by stroomverbruik van minder dan 0,5 watt. Hoewel hij iets groter is, is deze voeding nog steeds compact met slechts 183 × 85 × 35 mm en een gewicht van 1.050 g.

Met een vermogen van 250 watt biedt XP Power de AQM250PS24, een 24 volt/10,4 A klasse 1-voeding met een stand-by stroomverbruik van minder dan 0,15 watt. De afmetingen zijn 172 × 67,1 × 32 mm.

Conclusie

Externe, zelfstandige AC/DC-voedingen voor medische apparatuur moeten voldoen aan strenge wettelijke, operationele, prestatie-, veiligheids- en efficiëntievereisten. De AQM-serie medische externe voedingen van XP Power overtreft deze door gebruik te maken van GaN-apparaten, wat resulteert in een totaalpakket dat de helft kleiner is dan een klassieke Si-unit.