Pienennä ulkoisten lääketieteellisten AC/DC-virtalähteiden kokoa käyttämällä GaN-komponentteja

Lääketieteelliset järjestelmät ovat yksi monista sovelluksista, joissa langaton käyttö pelkällä akulla/paristolla ei ole mahdollista, käytännöllistä eikä hyväksyttävää akku- ja paristoteknologian ja pienitehoisten virtapiirien edistysaskelista huolimatta. Sen sijaan laitteiden on toimittava yleensä suoraan verkkovirralla, tai ne on voitava kytkeä verkkovirtaan silloin, kun paristojen/akkujen varaus on alhainen.

Lääketieteellisten virtalähteiden täytyy täyttää AC/DC-virtalähteiden yleisten suorituskykyspesifikaatioiden lisäksi myös vähemmän ilmeiset suorituskykyyn, kuten galvaaniseen erotukseen, jänniteluokituksiin, vuotovirtaan ja suojausmenetelmiin (MOP), liittyvät lakisääteiset standardit. Näiden standardien tarkoituksena on varmistaa, ettei virtalähteeseen kytketty laite vaaranna käyttäjää eikä potilasta, vaikka virtalähteessä tai kuormassa olisi vikoja. Samaan aikaan lääketieteellisten virtalähteiden suunnittelijoiden täytyy jatkaa tehokkuuden parantamista sekä koon ja painon pienentämistä.

Tämä artikkeli käsittelee ulkoisten AC/DC-virtalähteiden käyttöä lääketieteellisissä laitteissa ja tarkastelee niihin liittyviä lakisääteisiä standardeja. Se esittelee sen jälkeen XP Powerin tuotteita, joiden avulla suunnittelijat voivat täyttää nämä standardit ja samalla pienentää virtalähteen fyysisen koon lähes puoleen käyttämällä galliumnitriditehokomponentteja (GaN).

Virtalähteiden suunnittelun perusvaatimukset

AC/DC-virtalähteen valinta alkaa virtalähteen yleisistä suorituskykymetriikoista. Kuorma vaatii, että virtalähteen on tarjottava DC-nimellisjännite ja pystyttävä syöttämään nimellisvirta kyseisellä jännitteellä. Yleisvirtalähteen täytyy sopia laajalle AC-tulojännitealueelle (tyypillisesti 85–264 VAC) 47–63 hertsin (Hz) taajuuksilla.

Nämä tulon ja lähdön jännite- ja -virtaluokitukset ovat kriittisen tärkeitä, mutta ne eivät riitä virtalähteen täydelliseen määrittelyyn. Muita näkökohtia ovat mm.:

• dynaamiset suorituskykyominaisuudet, kuten käynnistysviive, käynnistyksen nousuaika, pitoaika, verkon ja kuorman regulointi, transienttivaste, aaltoilu ja kohina sekä ylitys
• suojaus ylikuormitusta, oikosulkua ja ylikuumenemista vastaan
• hyötysuhdevaatimukset, jotka riippuvat virtalähteen enimmäisteholuokituksesta ja edellyttävät tiettyjä arvoja kuormituskäyrällä, kuten täyskuormituksen, alhaisen kuormituksen ja nollakuormituksen pisteet
• tehokerroin (PF) lähellä yhtä, jolloin tietty PF-luku riippuu tehotasosta ja viranomaisstandardeista
• sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC), joka kuvaa virtalähteen suurinta sähkömagneettista häiriötä (EMI) / radiotaajuushäiriötä (RFI) sekä herkkyyttä sähköstaattiselle purkaukselle (ESD), säteilyenergialle, energiapurskeille, verkon jännitepiikeille ja magneettikentille
• turvallisuus, joka määrittelee käyttäjän ja laitteen suojauksen perusvaatimukset, sisältäen tulon ja lähdön, tulon ja maan sekä lähdön ja maan välisen erotusjännitteen.

Lääketieteellisiin virtalähteisiin kohdistuvat vaatimukset

Myös muut standardit ja lakisääteiset määräykset hankaloittavat ennestään lääketieteellisiin sovelluksiin tarkoitetun virtalähteen arviointia. Ne liittyvät ensisijaisesti potilaan ja käyttäjän turvallisuuteen. Niillä varmistetaan, ettei virtalähde vaaranna näistä kumpaakaan, vaikka laitteeseen tulisikin yksittäinen vika tai jopa kaksi samanaikaista vikaa.

Suurin osa turvallisuusvaatimuksista liittyy haja- tai vuotovirtoihin. Tavallinen verkkojännite (110/230 volttia; 50 tai 60 Hz) voi rintakehän kautta kulkiessaan aiheuttaa kammiovärinän vain 30 milliampeerin (mA) virralla. Jos virta pääsee kulkemaan suoraan sydämeen esimerkiksi sydänkatetrin tai muun elektrodin kautta, jo paljon alle 1 mA:n (AC tai DC) virta voi aiheuttaa sydämeen värinän.

Seuraaviin kynnysarvoihin viitataan usein, kun kyseessä on virran kulku kehon läpi ja kontakti tapahtuu ihon kautta. Sisäisessä kontaktissa vaarallista tasoa olevat virta-arvot ovat paljon alhaisempia:

• 1 mA: tuskin havaittava
• 16 mA: suurin virta, jonka keskikokoinen henkilö kestää ongelmitta
• 20 mA: hengityslihasten halvaus
• 100 mA: kammiovärinän kynnysarvo
• 2 A: sydämenpysähdys ja sisäelinvauriot

Riskitasoihin vaikuttaa myös sähkövirran reitti eli se, miten kosketuspisteet sijaitsevat kehossa: esimerkiksi rintakehän kautta tai kädestä jalkaan. Tämän vuoksi AC-erotusmuuntajan dielektrisen eristeen läpi kulkevien vuotovirtojen minimointi on ratkaisevan tärkeää.

Kun eriste on riittävän hyvälaatuinen, voi vaikuttaa siltä, että vuotovirran määrä olisi merkityksetön. Vaikka tämä vuoto voi olla virtaa, joka ”vuotaa” fyysisesti eristeen epätäydellisen luonteen vuoksi, se voi kuitenkin johtua myös kapasitiivisesti kytkeytyneistä virroista, jotka voivat kulkea jopa poikkeuksellisen hyvän eristeen läpi.

Yksinkertaistettu malli ihanteellisesta muuntajasta näyttää täydellisen galvaanisen (ohmisen) erotuksen sen ensiö- ja toisiopuolen välillä (kuva 1).

Kuva 1: Muuntajan perusmalli näyttää, että ensiöpuolelta ei ole virtapolkua toisiopuolelle. (Kuvan lähde: Power Sources Manufacturers Association)

Ihanteellisella muuntajalla virta ei voi kulkea suoraan verkkovirtaa käyttävään tuotteeseen eikä muodostaa katkeamatonta virtasilmukkaa takaisin verkkovirtaan, vaikka komponentti- tai johdotusvika tarjoaisikin virralle uuden polun toisiopuolella. Yksikään muuntaja ei kuitenkaan ole täydellinen, ja käämien välillä esiintyy kapasitanssia ensiö- ja toisiopuolen välillä(kuva 2).

Kuva 2: Realistisempi malli näyttää käämien välisen peruskapasitanssin (C_ps1) ensiö- ja toisiopuolen välillä. (Kuvan lähde: Power Sources Manufacturers Association)

Sofistikoituneempi malli sisältää enemmän käämien välisen kapasitanssin lähteitä (kuva 3).

Kuva 3: Muuntajassa on ensimmäisen käämien välisen kapasitanssin (C_ps1) lisäksi muitakin kapasitansseja. (Kuvan lähde: Power Sources Manufacturers Association)

Tämä ei-toivottu kapasitanssi mahdollistaa vuotovirrat, ja sen arvo riippuu monista muuttujista, kuten johtimen paksuudesta, käämitystavasta sekä muuntajageometriasta. Kapasitanssi voi olla yhdestä pikofaradista (pF) muutamaan mikrofaradiin (µF). Muuntajan kapasitanssipohjaisten vuotojen lisäksi myös johdinten välinen etäisyys piirilevyllä, puolijohteiden ja maadoitettujen jäähdytyselementtien välinen eristys sekä muiden komponenttien väliset loisarvot voivat synnyttää tahattomia kapasitansseja.

Kapasitanssista johtuva muuntajan vuotovirta ei ole ainoa huomioitava tekijä lääketieteellisten standardien mukaisissa virtalähteissä. Myös AC-perusturvallisuus ja eristys ovat tärkeitä. Nämä virtalähteet saattavat jännite- ja tehotasosta riippuen tarvita myös toisen riippumattoman eristyssuojauksen ensisijaisen suojauksen lisäksi (tai fyysisesti vahvistetun eristyksen). Eristyksen suorituskyky heikkenee lisäksi ajan mittaan äärilämpötilojen, suurjännitteen aiheuttaman rasituksen ja jännitepiikkien vuoksi, vaikka se saattaa yhä täyttää luokituksensa.

Ensimmäistä eristyskerrosta kutsutaan yleensä ”peruseristykseksi”. Esimerkki tästä on johdineristys. Toinen eristyskerros on usein eristetty kotelo, joita näkee monissa seinään asennettavissa ja pöytävirtalähteissä.

Standardit ja suojausmenetelmät (MoP)

Tärkein lääketieteellistä elektroniikkaa ja turvallisuutta säätelevä standardi on IEC 60601-1. Uusin (neljäs) versio laajentaa potilaskeskeisyyttä ja edellyttää siten yleisiä suojausmenetelmiä (MOP), jossa yhdistyvät yksi tai useampi ”käyttäjän suojausmenetelmä” (MOOP) ja ”potilaan suojausmenetelmä” (MOPP).

Lakisääteisissä standardeissa on luotu suojausluokkia käyttäjäsuojauksen määrittämiseksi. Niitä kutsutaan suojausluokiksi I ja II, ja ne määräävät virtalähteiden rakenteen ja eristyksen. Luokan I tuotteessa on johtava runko, joka on liitetty suojamaadoitukseen. Jotta paikallista seinäpistoketta olisi yksinkertaisempi käyttää, virtalähde sisältää IEC320-C14-runkoliittimen, johon voidaan kytkeä käyttäjän hankkima suojamaadoitusjohtimella varustettu virtajohto (kuva 4, vasemmalla).

Luokan II virtalähteissä on puolestaan suojamaadoitusliitännällä varustettu kaksijohtiminen virtajohto (kuva 4, oikealla). Koska runkoa ei ole maadoitettu, käyttäjän ja sisäisten virtajohtimien välissä on kaksi eristyskerrosta (tai yksi vahvistettu eristyskerros).

Kuva 4: Luokan I (vasemmalla) ja luokan II (oikealla) yksiköissä on maadoitetut kolmijohtimiset tai maadoittamattomat kaksijohtimiset verkkovirtaliitännät, joita käytetään usein IEC-standardipistorasioiden ja käyttäjän hankkimien verkkojohtojen kanssa. (Kuvan lähde: XP Power)

Tästä seuraa se, että kaikki lääketieteellisiin sovelluksiin tarkoitetut AC/DC-virtalähteet, joilla on joko luokan I tai II sertifiointi, on suunniteltava ja testattava erityisesti kyseisten standardien mukaisesti. Onneksi XP Powerin kaltaiset virtalähteiden toimittajat tuntevat tekniset, valmistus- ja sertifiointiongelmat, mitä tarvitaan näiden standardien mukaisten virtalähteiden toimittamiseen.

Myös koolla on merkitystä

Lääketieteellisille AC/DC-virtalähteille asetetut tekniset vaatimukset ja lakisääteiset määräykset eivät koske fyysistä kokoa, mutta koolla on kuitenkin merkitystä. Isot virtalähteet hankaloittavat paikan päällä tapahtuvaa toimintaa ahtaissa tiloissa, kuten ambulanssissa tai kliinisessä ympäristössä, joissa liikuteltavan vaunun ja pöydän tila on rajallinen.

AC-virtalähteen koon pienentäminen olisi näissä tilanteissa hyödyllistä, mutta se luo haasteen. Virtalähteen mittojen minimointia rajoittaa tarve noudattaa eristystä, pintaväliä ja ilmaväliä koskevia lakisääteisiä määräyksiä.

Toinen virtalähdekoon pienentämiseen liittyvä ongelma on lämpöhäviö. Jos virtalähteen tilavuus ja kotelon pinta-ala ovat riittämättömät, sen sisälämpötila on korkeampi kuin suuremmassa virtalähteessä, mikä heikentää aktiivisia, passiivisia ja eristäviä sisäosia. Koneistettu ilmajäähdytys ei ole hyväksyttävää potentiaalisten ilmavirran tukosten, pitkän aikavälin luotettavuusongelmien ja korkeamman ympäristömelun vuoksi.

Lisäksi lämmönkehitys voi nostaa virtalähteen kotelon pintalämpötilan yli hyväksyttävän tason, mikä vaarantaa potilaat ja käyttäjät. Avain virtalähdekoon kutistamiseen on käyttää sopivia piirikytkentäkomponentteja syntyvän lämmön minimoimiseksi.

Tällöin GaN-pohjaiset kytkentäkomponentit tarjoavat selviä etuja piihin (Si) verrattuna. Niiden alhaisempi sarjavastus, nopeammat kytkentäajat ja alhaisempi estosuunnan toipumisvaraus vähentävät häviöitä johtaen tehokkaampaan, viileämpään ja kompaktimpaan virtalähteeseen.

Yksi esimerkki on XP-Powerin AQM200PS19, joka kuuluu AQM-sarjaan. Tämä virtalähde on luokiteltu 19 voltille/10,6 ampeerille (A) luokassa I. Laitteen mitat ovat noin 167 × 54 × 33 millimetriä (mm), mikä on puolet vähemmän kuin näiden luokitusten mukaisella perinteisellä virtalähteellä, ja se painaa vain 600 grammaa (g) (kuva 5).

Kuva 5: AQM200PS19 on 200-wattinen luokan I yksikkö, joka syöttää 19 volttia jopa 10,6 A:n sähkövirralla ja 92 prosentin hyötysuhteella. (Kuvan lähde: XP Power)

Tämä ulkoinen virtalähde noudattaa täysin kansainvälisiä lääketieteellisiä standardeja. Sähköisiin parametreihin kuuluvat potilaan vuotovirta, joka on alle 100 mikroampeeria (µA), tyypillinen hyötysuhde 92 %, valmiustilan virrankulutus alle 0,15 wattia ja PF > 0,9.

Virtalähde on saatavana sekä luokan I että luokan II versioina, ja se on luokiteltu lämpötila-alueelle 0–60 °C. Sen ominaisuuksiin kuuluu täysin suljettu kotelo, joka täyttää IP22-luokituksen vaatimukset. Sen sileä pinta helpottaa puhdistusta lääketieteellisissä ympäristöissä.

XP Power tarjoaa suurempitehoisiin järjestelmiin virtalähteen AQM300PS48-C2, joka on 300-wattinen luokan II yksikkö. Sen lähtöluokitukset ovat 48 V/6,25 A ja sen valmiustilan virrankulutus on alle 0,5 wattia. Vaikka tämä virtalähde on hieman suurempi, sen mitat ovat yhä kompaktit 183 × 85 × 35 mm , ja se painaa vain 1050 g.

XP Power tarjoaa 250 watin teholuokassa luokan 1 AQM250PS24-virtalähteen lähtöluokituksilla 24 V/10,4 A. Laitteen virrankulutus valmiustilassa on alle 0,15 wattia. Laitteen koko on 172× 67,1 × 32 mm.

Yhteenveto

Lääketieteellisten laitteiden ulkoisten ja itsenäisten AC/DC-virtalähteiden täytyy täyttää tiukat lakisääteiset, toiminta-, suorituskyky-, turvallisuus- ja tehokkuusvaatimukset. XP Powerin AQM-sarjan lääketieteelliseen käyttöön soveltuvat ulkoiset virtalähteet ylittävät nämä vaatimukset. GaN-komponenttien ansiosta kotelosta tulee puolet perinteistä Si-laitetta pienempi.