Optimaalisen DC/DC-muuntimen valinta ja käyttö lääketieteellisissä sovelluksissa

AC-virralla tai akulla toimivan virtalähteen suunnittelu on monimutkaista. Suunnittelijan täytyy kehittää ratkaisu, joka tarjoaa stabiilin jännitteen ja virran erilaisilla kuormilla ja toimii samalla korkealla hyötysuhteella tehohäviöiden minimoimiseksi. Kun virtalähde on tarkoitettu lääketieteelliseen tuotteeseen, suunnittelusta tulee kuitenkin monimutkaisempaa sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC), sähköiseen potilaskosketukseen liittyvien tiukkojen turvallisuusvaatimusten ja sähkömagneettisilta häiriöiltä (EMI) suojauksen vuoksi.

Näiden vaatimusten täyttäminen on kallista ja aikaa vievää suunnittelijoille, jotka kehittävät lääketieteellisiä teholähteitä nollasta lähtien. Kaupalliset modulaariset DC/DC-muuntimet ovat yksi vaihtoehto, mutta näiden ratkaisujen valinnassa ja soveltamisessa on noudatettava huolellisuutta.

Tämä artikkeli kuvailee lyhyesti DC/DC-muuntimen roolia virtalähdepiirissä ja esittää lääketieteellisissä sovelluksissa vaadittavat valintaperusteet ja erityiset näkökohdat. Se esittelee sen jälkeen XP Powerin esimerkkilaitteita ja näyttää sovellusmallin.

DC/DC-muuntimen rooli

Vaikka akkujen nimellisjännite onkin annettu, lähtöjännitteeseen vaikuttavat sellaiset tekijät kuin akun varaustila, huippukulutus ja lämpötila. Keskeinen ominaisuus on, että lähtöjännite laskee akun purkautuessa. Mikropiirit ja muut herkät komponentit vaativat kuitenkin tasaisen jännitteen toimiakseen oikein. DC/DC-muunnin tarjoaa tähän ratkaisun, sillä se säätää tulojännitettä niin, että lopputuotteen käyttöön saadaan luotettava ja tasainen jännitelähtö (tai jännitelähdöt).

DC/DC-muuntimet ovat yleisiä myös verkkokäyttöisissä tuotteissa. Ensimmäinen AC/DC-muunnin muuntaa AC-verkkojännitteen DC-jännitteeksi yhden tai useamman DC/DC-muuntimen avulla. Myöhemmin tämä jännite lasketaan lopputuotteelle sopivalle tasolle.

DC/DC-muuntimien topologiat voivat olla lineaarisia tai hakkureita. Lineaariregulaattorit ovat yksinkertaisia ja robusteja laitteita, mutta niiden hyötysuhde heikkenee, kun tulo- ja lähtöjännitteen välinen ero kasvaa. Lisäksi lineaariregulaattorit voivat pelkästään alentaa (buck), eivät nostaa (boost) tai invertoida jännitettä. Koska ne eivät pysty nostamaan jännitettä, akkuihin jää käyttämätöntä potentiaalia.

Hakkuriregulaattorit käyttävät pulssileveysmoduloitua (PWM) kytkentäelementtiä, joka koostuu yleensä yhdestä tai kahdesta MOSFET-transistorista, joihin on kytketty yksi tai kaksi induktoria ja kondensaattoria energian tallennusta ja suodatusta varten. Tärkeimmät syyt, joiden vuoksi suunnittelijat valitsevat hakkuriregulaattorin, ovat korkea hyötysuhde ja korkea tehotiheys. Lisäksi regulaattorit voivat nostaa, alentaa ja invertoida jännitteitä.

Hakkuriregulaattoreita käyttävien suunnittelijoiden haasteisiin kuuluvat suunnittelun kompleksisuus, kustannukset ja kytkentäelementtien aiheuttamat mahdolliset EMI-ongelmat. DC/DC-hakkuriregulaattori voidaan suunnitella alusta lähtien, ja tällainen lähestymistapa voi säästää jonkin verran kustannuksia ja tilaa, mutta se on kompleksista ja vie paljon aikaa. Vaihtoehtona on valita jokin monista myynnissä olevista moduuleista, kuten XP Powerin JMR-sarja, jossa hakkuriregulaattorin pääelementit on integroitu yhteen laitteeseen, joka on kompakti, luotettava ja jonka käyttö tuotteessa on helppoa (kuva 1).

Kuva 1: Modulaariset laitteet, kuten JMR-sarja, integroivat DC/DC-hakkuriregulaattorin pääelementit yhteen laitteeseen, joka on kompakti, luotettava ja jonka käyttö tuotteessa on helppoa. (Kuvan lähde: XP Power)

DC/DC-muuntimen valinta

DC/DC-muuntimen valinnassa täytyy ottaa huomioon monia tekijöitä. Jotkin niistä ovat selkeitä; esimerkiksi käyttökohde määrittää tulo- ja lähtöjännitteet sekä tulo- ja lähtövirran. Toiset ovat monisyisempiä. Esimerkiksi hyötysuhteen maksimointi vaatii lopputuotteen tyypillisen kuormitusprofiilin huomioon ottamista. Lisäksi suunnittelijan on tarkistettava valittujen DC/DC-muuntimien teknisistä tiedoista hyötysuhdekuvaajat varmistaakseen, että lopputuote toimii yleisesti muuntimen optimaalisella hyötysuhteella.

XP Powerin JMR1024S05 on hyvä esimerkki lääketieteelliseen käyttöön tarkoitetusta DC/DC-muuntimesta. Tämä muunnin on erittäin kompakti, piirilevylle asennettava lääketieteellinen laite, jonka mitat ovat 20,3 x 31,8 x 10,2 millimetriä (mm) ja jossa on 3 mm:n läpiasennusnastat. Se tarjoaa 5 V:n lähdön nimellisellä tulojännitteellä 24 V (min. 9 V, maks. 36 V). Moduulin maksimilähtövirta on 2 ampeeria (A) ja tulovirta täydellä kuormituksella on 491 milliampeeria (mA). Lähtöjännitteen aaltoilu on 75 millivolttia (mV) huipusta huippuun (pk-pk), ja sen hyötysuhde on 84,9 %.

Moduulin virrankulutus ilman kuormaa on alhainen, 6 mA, mikä parantaa hyötysuhdetta ja pienentää tehohäviötä. Virtaa voidaan lisäksi säästää vielä 3 mA deaktivoimalla moduulin toiminta sen ulkopuolelta. Moduuli on aktivoitu, jos nasta 1 muodostaa avoimen virtapiirin; moduuli on deaktivoitu, jos nasta 1 on kytketty 2–4 mA:n virtalähteeseen, tai jos nastan 1 jännite on 2,2–12 V korkeampi kuin nastan 2 jännite.

Kuva 2: JMR1024S05-piirin virrankulutus ilman kuormaa voidaan laskea 3 milliampeeriin (mA) deaktivoimalla moduuli sen ulkopuolelta. (Kuvan lähde: XP Power)

XP Power tarjoaa vaihtoehtoja 10 watin mallistossa. Esimerkiksi JMR1048S12 käyttää nimellistä tulojännitettä 48 V (18–75 V) ja syöttää 12 V:n lähtöjännitteen enimmäislähtövirralla 833 mA. Tulovirta on täydellä kuormituksella 237 mA, ja sen hyötysuhde on tässä tilassa 88 %.

JMR1012D15 käyttää tulojännitettä 12 V (4,5–18 V) ja syöttää lähtöjännitteen ±15 V enimmäislähtövirralla 333 mA. Tulovirta on täydellä kuormituksella 957 mA, ja sen hyötysuhde on tässä tilassa 87 %.

10 watin JMR-sarjan kytkentätaajuus on 300 kilohertsiä (kHz).

Lääketieteellisten sovellusten erityisvaatimukset

Lääketieteelliset tuotteet vaativat DC/DC-muuntimelta enemmän, koska lopputuotteissa käytettäviin sähkökomponentteihin sovelletaan erittäin vaativaa lääketieteellistä turvallisuusstandardia IEC 60601-1.

IEC 60601-1 -standardin mukaan ”liityntäosa” määritellään lääketieteellisen laitteen osaksi, joka tulee olemaan suorassa kosketuksessa potilaan kanssa tai jonka osat joutuvat todennäköisesti kosketuksiin potilaan kanssa tuotteen normaalin käytön aikana. Standardi määrittelee liityntäosat potilaskosketuksen tyypin ja lääketieteellisen laitteen luonteen mukaan.

B-tyypin luokitus annetaan liityntäosille, jotka ovat yleensä johtamattomia ja jotka voidaan kytkeä maahan. BF (Body Floating) -tyypin luokitus annetaan liityntäosille, jotka kytketään sähköisesti potilaaseen ja joiden on kelluttava ja jotka täytyy erottaa maasta. BF-tyyppiä ei sovelleta liityntäosiin, jotka ovat suorassa kosketuksessa sydämeen. CF (Cardiac Floating) -tyypin luokitus annetaan liityntäosille, jotka voivat olla suorassa kosketuksessa sydämeen. Tyypin CF liityntäosien on kelluttava ja ne täytyy erottaa maasta.

Lääkinnällisissä potilasliityntäosissa täytyy käyttää suojausmenetelmiä (MOP), joilla estetään liityntäosien (ja muiden käytettävissä olevien osien) jännite-, virta- tai energiarajojen ylittäminen. Vaatimustenmukainen suojamaadoitus tarjoaa suojauksen 1 x MOP, peruserotus tarjoaa myös suojauksen 1 x MOP ja vahvistettu eristys tarjoaa suojauksen 2 x MOP.

MOP voidaan luokitella edelleen käyttäjän suojausmenetelmäksi (MOOP) ja potilaan suojausmenetelmäksi (MOPP). Potilasliityntään tarkoitetuilta laitteilta vaaditaan 2 x MOPP.

Tyypin BF- ja CF-luokitusten mukaisten lääketieteellisten laitteiden virtalähteiden täytyy tarjota 2 x MOPP ensiöpuolelta toisiopuolelle ja 1 x MOPP ensiöpuolelta maahan. Myös virtalähteen toisiolähdön ja maan välisen lisäturvaerotuksen luokituksen täytyy olla 1 x MOPP korkeimmalle saapuvalle AC-jännitteelle. Taulukko 1 näyttää ilmavälin, pintavälin ja testausjännitteet peruseristykselle (1 x MOP) ja vahvistetulle (2 x MOP) eristykselle sekä MOOP- että MOPP-sovelluksissa.

Taulukko 1: Näyttää ilmavälin, pintavälin ja testausjännitteet peruseristykselle (1 x MOP) ja vahvistetulle eristykselle (2 x MOP) sekä MOOP- että MOPP-sovelluksissa. (Taulukon lähde: XP Power)

MOOP- ja MOPP-sovellusten MOP-suojauksen lisäksi lääketieteellisen laitteen virtalähde on suunniteltava siten, että se rajoittaa kosketusvirtaa, potilaan lisävirtaa ja potilaan vuotovirtaa. Kosketusvirran korkein sallittu arvo on 100 mikroampeeria (μA) normaaliolosuhteissa ja 500 μA yksittäisessä vikatilanteessa (SFC). Tämä vaatimus rajoittaa tehokkaasti järjestelmän maavuotovirran arvoon 500 μA normaalikäytössä.

Kosketusvirtaa, potilaan lisävirtaa ja potilaan vuotovirtaa koskevat vaatimukset ovat haaste suunnittelijoille. Heidän täytyy varmistaa, että virtalähde tarjoaa vaaditun suojaerotuksen ja minimoi samalla vuotovirrat normaalikäytössä sekä suojaa vikatilanteissa erottamalla potilaan maasta.

Lääketieteellisen laitteen on lisäksi täytettävä IEC 60601-1-2 -standardissa esitetyt EMC-vaatimukset. Näillä vaatimuksilla pyritään parantamaan monien elintärkeiden laitteiden häiriönsietokykyä niiden läheisyydessä toimivia langattomia kommunikaatiolaitteita vastaan. Vaatimusten toissijaisena tavoitteena on antaa EMC-ohjeistusta laitteille, joita käytetään sairaalan ulkopuolella, jossa EMC-ympäristöön ei yleensä voida vaikuttaa samalla tavalla.

DC/DC-muuntimen käyttö toisena erotusvaiheena

Lääketieteellisistä erityisvaatimuksista johtuvia suunnitteluhaasteita voidaan vähentää valitsemalla huolellisesti toisessa erotusvaiheessa käytettävä DC/DC-muunnin. Tämän vaiheen lisääminen tarjoaa peruserotuksen AC-jännitteeseen. Se myös minimoi tulon ja lähdön välisen kapasitanssin (noin 20–50 pikofaradiin (pF)), mikä puolestaan vähentää potilaan mahdollisen vuotovirran vain muutamaan mikroampeeriin (kuva 3).

Kuva 3: Hyväksyttyä DC/DC-muunninta (oikealla) voidaan käyttää liityntäosan jännitteen regulointiin. Se tarjoaa samalla toisioerotuksen 1 x MOPP -suojausta varten ja minimoi potilaan mahdollisen vuotovirran. (Kuvan lähde: XP Power)

Esimerkiksi edellä kuvatuilla XP Powerin JMR-sarjan 10 watin DC/DC-muuntimilla on lääketieteellisen turvallisuusviraston IEC60601-1-hyväksyntä, 5 kilovoltin (kV) AC-vahvistuserotus 2 x MOPP, erotuskapasitanssi 17 pF ja potilaan vuotovirta 2 μA, mikä mahdollistaa helpon integroinnin monenlaisiin lääketieteellisiin BF- ja CF-sovelluksiin.

EMC-suodatus, jota tarvitaan, jotta lopputuote täyttäisi IEC 60601-1-2 -standardin vaatimukset, voidaan lisätä lääketieteellisen laitejärjestelmän ja ohjauslaitteiden sekä DC/DC-muuntimen väliseen piiriin ilman, että erotus tai alhaiset vuotovirrat vaarantuvat. Kuva 4 näyttää suositeltavat EMC-suodatinpiirit virtapiikille ja sähköisille nopeille transienteille (EFT) sekä EMI-luokalle B.

Kuva 4: Kuva näyttää suositeltavat EMC-suodatinpiirit virtapiikille sekä EFT- ja EMI-luokalle B käytettäväksi JMR10-sarjan DC/DC-muuntimien kanssa. (Kuvan lähde: XP Power)

Taulukko 2 näyttää suositellut komponenttiarvot näille piireille käytettäessä JMR10-sarjan laitteita 12 V, 24 V ja 48 V:n tulojännitteillä.

Taulukko 2: Kuva näyttää suositellut komponenttiarvot kuvassa 4 näkyville piireille. (Taulukon lähde: XP Power)

Yhteenveto

Modulaariset ja korkeasti integroidut DC/DC-muuntimet yksinkertaistavat luotettavien ja suorituskykyisten virtalähteiden suunnittelua lääketieteellisiin järjestelmiin. Suunnittelijoiden täytyy kuitenkin valita huolellisesti IEC 60601-1 -sertifioinnin saanut laite standardin käyttäjän ja potilaan turvallisuutta koskevien vaatimuksien sekä EMC-vaatimuksien täyttämiseksi.