Bruke GaN-enheter til å krympe eksterne AC–DC-strømforsyninger for medisinsk bruk

Til tross for fremskrittene innen batteriteknologi og kretser med lavt energiforbruk, er medisinske systemer ett av mange bruksområder der fullstendig frittstående, batteridrevne konstruksjoner kanskje ikke er gjennomførbare, praktiske eller akseptable. I stedet må utstyret fungere direkte fra nettstrøm, eller i det minste ha tilgang til en stikkontakt for å sikre pålitelig drift når batteriene er lave.

I tillegg til å oppfylle grunnleggende ytelsesspesifikasjoner for AC–DC-strømforsyninger (AC–DC – vekselstrøm–likestrøm), må medisinske strømforsyninger være i samsvar med forskriftsmessige mandater for mindre åpenbare ytelseshensyn, for eksempel galvanisk isolasjon, spenningsverdier, lekkasjestrøm og beskyttelsesmidler (MOP – means of protection). Disse standardene er der for å sikre at det strømsatte utstyret ikke setter operatøren eller pasienten i fare, selv om det oppstår feil i strømforsyningen eller lasten. Samtidig må konstruktører av medisinske strømforsyninger fortsette å forbedre virkningsgraden og redusere størrelsen og vekten.

Denne artikkelen omhandler bruken av eksterne AC–DC-strømforsyninger i medisinske instrumenter, og den gjennomgår tilhørende forskriftsmessige standarder. Den introduserer deretter produkter fra XP Power som konstruktører kan bruke til å oppfylle disse standardene, samtidig som de drar nytte av effekthalvledere av galliumnitrid (GaN) for å redusere strømforsyningens fysiske størrelse til nesten halvparten.

Grunnleggende krav til strømforsyningens konstruksjon

Valget av en AC–DC-strømforsyning begynner med de standard ytelsesberegningene for strømforsyninger. Strømforsyningen må levere den nominelle likespenningen (DC) og være i stand til å levere den nominelle strømmen ved denne spenningen for å støtte lasten. En universell strømforsyning må imøtekomme et bredt utvalg av AC-inngangsspenninger (vanligvis fra 85 volt AC (VAC) til 264 VAC) ved frekvenser fra 47 til 63 Hertz (Hz).

Disse nominelle inngangs- og utgangsspenningene og strømmene er kritiske, men er ikke i stand til å fullstendig definere en strømforsyning. Andre faktorer omfatter:

• Dynamiske ytelsesegenskaper, for eksempel oppstartsforsinkelse, oppstartsstigningstid, avbruddstid, linje- og lastregulering, transientrespons, rippel og støy og oversvingning
• Beskyttelse mot overbelastning, kortslutninger og overtemperatur
• Mandater for virkningsgrad, som er en funksjon av forsyningens maksimale effektklassifisering og de nødvendige spesifikke verdiene langs lastkurven, inkludert punkter for full last, lav last og ingen last
• Effektfaktor 1 (PF – power factor), der det spesifikke PF-nummeret er en funksjon av effektnivået og den styrende forskriftsmessige standarden
• Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC – electromagnetic compatibility), som karakteriserer maksimal elektromagnetisk interferens (EMI) / radiofrekvensinterferens (RFI) for forsyningen, samt susceptibiliteten for elektrostatisk utladning (ESD – electrostatic discharge), utstrålt energi, hendelser med energiutbrudd, linjeoverspenning og magnetfelt
• Sikkerhet, som definerer grunnleggende krav for å beskytte brukeren og utstyret, inkludert isolasjonsspenning mellom inngang og utgang, inngang til jord og utgang til jord

Krav til medisinske strømforsyninger

Ytterligere standarder og forskriftsmessige mandater kompliserer ting ytterligere når en strømforsyning for medisinske konstruksjoner skal evalueres. Disse er først og fremst relatert til pasient- og operatørsikkerhet, og sikrer at strømforsyningen ikke vil utgjøre noen risiko for disse i tilfelle det skulle oppstå svikt med én eller til og med to feil.

Mye av bekymringen er knyttet til vagabonderende strøm (stray current) eller lekkasjestrøm. Standardlinjespenning (110/230 volt; 50 eller 60 Hz) over brystet, selv i en brøkdel av et sekund, kan forårsake hjerteflimmer ved strømmer så lave som 30 milliampere (mA). Hvis strømmen har en direkte vei til hjertet, for eksempel via et hjertekateter eller en annen elektrode, kan en mye lavere strøm på mindre enn 1mA (vekselstrøm eller likestrøm) forårsake hjerteflimmer.

Dette er noen standardterskler som ofte oppgis for strøm gjennom kroppen via hudkontakt, og farenumrene er mye lavere for intern kontakt:

• 1 mA: Knapt merkbar
• 16 mA: Maksimal strøm en person av gjennomsnittlig størrelse kan gripe og «slippe»
• 20 mA: Lammelse av luftveismusklene
• 100 mA: Ventrikkelflimmerterskel (hjerterytmeforstyrrelse / hjerteflimmer)
• 2 A: Hjertestillstand og skade på indre organer

Risikonivåene er også en funksjon av banen som strømflyten tar gjennom to kontaktpunkter med kroppen, for eksempel på tvers av eller gjennom brystet, eller fra en arm ned til føttene. Dette er grunnen til at det er avgjørende å minimere lekkasjestrømmer som passerer gjennom den dielektriske isolasjonen til en AC-skilletransformator.

Det kan kanskje virke som at mengden lekkasjestrøm vil være ubetydelig med tilstrekkelig kvalitetsisolasjon. Men, selv om denne lekkasjen kan være strøm som fysisk «lekker» gjennom på grunn av isolasjonens ikke-perfekte natur, kan den også skyldes kapasitivt koblede strømmer som kan krysse selv eksepsjonell isolasjon.

En forenklet modell av en ideell transformator viser perfekt galvanisk (ohmsk) isolasjon mellom hovedsiden og sekundærsiden i figur 1.

Figur 1: En grunnleggende modell av en transformator viser at det ikke er noen strømbane fra hovedsiden til sekundærsiden. (Bildekilde: Power Sources Manufacturers Association)

Med en ideell transformator kan ingen strøm flyte direkte fra nettstrømmen til det strømsatte produktet for å danne en komplett strømsløyfe tilbake til nettstrømmen, selv om en komponent eller ledningsskade skaper en ny strømbane på sekundærsiden. Det finnes imidlertid ikke noen perfekt transformator, så kapasitans på primær-til-sekundær-viklinger er forventet (figur 2).

Figur 2: En mer realistisk modell viser grunnleggende viklingskapasitans (C_ps1) mellom den primære og sekundære siden. (Bildekilde: Power Sources Manufacturers Association)

En mer sofistikert modell legger til flere kilder med viklingskapasitans (figur 3).

Figur 3: Det er andre transformatorkapasitanser, i tillegg til den første viklingen C_ps1. (Bildekilde: Power Sources Manufacturers Association)

Denne uønskede kapasitansen muliggjør lekkasjestrømflyt, og er en funksjon av mange variabler, for eksempel viklingsstørrelse, viklingsmønster og transformatorgeometri. Verdien kan variere fra så lavt som én picofarad (pF) til opptil noen få mikrofarad (µF). I tillegg til transformatorens kapasitansbaserte lekkasje, kan andre kilder til utilsiktede kapasitanser være avstander på kretskort, isolasjon mellom halvledere og jordede kjøleelementer og parasittstrøm mellom andre komponenter.

Transformatorlekkasjestrøm på grunn av kapasitans er ikke den eneste utfordringen som forskrifter for medisinske strømforsyninger må håndtere. Grunnleggende vekselstrømssikkerhet og isolasjon er en prioritet. Avhengig av spennings- og effektnivåene, kan disse forsyningene trenge en sekundær, uavhengig isolasjonsbarriere i tillegg til den primære barrieren (eller fysisk forsterket isolering). Isolasjonsytelsen forringes også over tid på grunn av ekstreme temperaturer, stress på grunn av høye spenninger og spenningsstøt, men den kan fortsatt oppfylle klassifiseringen.

Det første laget med isolasjon kalles vanligvis «grunnleggende isolasjon». Et eksempel er ledningsisolasjon. Det andre laget er ofte et isolert kabinett, som vist i mange veggfestede strømforsyninger og strømforsyninger til stasjonære datamaskiner.

Standarder og beskyttelsesmidler (MoP – means of protection)

Hovedstandarden for styring av medisinsk elektronikk og sikkerhet, er IEC 60601-1. Den nyeste (fjerde) utgaven utvider pasientfokus ved å kreve et generelt beskyttelsesmiddel (MOP) som kombinerer én eller flere «midler for operatørbeskyttelse» (MOOP – means of operator protection) og «midler for pasientbeskyttelse» (MOPP – means of patient protection).

Regulatoriske standarder har også opprettet beskyttelsesklasser rundt hvordan MOOP leveres. Disse er betegnet Klasse I og Klasse II og regulerer konstruksjonen og isolasjonen til strømforsyninger. Et Klasse I-produkt har et ledende kabinett som er koblet til sikkerhetsjord. For å forenkle kompatibiliteten til den lokale veggpluggen, har strømforsyningen en IEC320-C14-stikkontakt for en brukerforsynt strømledning med en sikkerhetsjordleder (figur 4, venstre).

Strømforsyninger i Klasse II har derimot en strømledning med to ledere som kommer med sikkerhetsjordforbindelse (figur 4, høyre). På grunn av fraværet av et jordet kabinett, er det to lag med isolasjon (eller et enkelt lag med forsterket isolasjon) mellom brukeren og de interne strømførende lederne.

Figur 4: Enheter i Klasse I (venstre) og Klasse II (høyre) har jordede AC-ledningstilkoblinger med tre ledere, eller to ledere uten jording, som ofte brukes med standard IEC-stikkontakter og brukerforsynte linjeledninger. (Bildekilde: XP Power)

Resultatet er at enhver AC–DC-strømforsyning som er spesifisert for medisinske utrustninger og sertifisert som enten Klasse I eller Klasse II, må være spesielt utformet og testet i henhold til de relevante standardene. Heldigvis forstår strømforsyningsleverandører som XP Power de tekniske, produksjonsmessige og sertifiseringsrelaterte problemene som trengs for å levere strømforsyninger som oppfyller disse standardene.

Størrelse er også en viktig faktor

De tekniske kravene og forskriftsmessige mandatene som AC–DC-forsyninger for medisinsk bruk er underlagt, er ikke opptatt av fysisk størrelse, men størrelse er fortsatt viktig. Store strømforsyninger kompliserer det lokale driftsoppsettet der plass er begrenset, for eksempel i en ambulanse eller et klinisk miljø der rullevogn- og skrivebordsplass er begrenset.

Reduksjon av størrelsen på AC–DC-forsyningen vil være nyttig i disse situasjonene, men det er utfordrende. Minimumstørrelsen til strømforsyningen begrenses av behovet for å overholde forskriftsmessige retningslinjer, som dekker isolasjon, krypning og klaring.

Et annet problem med å krympe forsyningen, er varmeavledning. Hvis strømforsyningens volum og kapslingens overflateareal er utilstrekkelig, vil den interne temperaturen være høyere enn den ville vært for en større strømforsyning, noe som nedbryter interne aktive, passive og isolerende komponenter. Kjøling med sirkulasjonsluft er uakseptabelt på grunn av potensielle blokkeringer i luftstrømmen, langsiktige pålitelighetsproblemer og ekstra omgivelsesstøy.

Videre kan den genererte varmen føre til at overflatetemperaturen til forsyningens kabinett stige over det som er akseptabelt, noe som utsetter pasienter og operatører for fare. Det som er viktig å huske når strømforsyninger skal krympes, er å bruke egnede kretsvekslende komponenter for å minimere generert varme.

Det er her GaN-baserte vekslingsenheter gir klare fordeler sammenlignet med silisium (Si). Den lavere seriemotstanden, raskere vekslingstiden og lavere sperreforsinkelsen reduserer tap, noe som resulterer i en mer effektiv, kaldere og kompakt vekslingsforsyning.

Et eksempel er XP-Power AQM200PS19, et medlem av AQM-serien. Forsyningen er klassifisert for Klasse I-drift med 19 volt/10,6 ampere (A). Enheten måler ca. 167 × 54 × 33 millimeter (mm), som er halvparten av en tradisjonell forsyning med disse klassifiseringene, og den veier bare 600 gram (g) (figur 5).

Figur 5: AQM200PS19 er en Klasse I-enhet på 200 watt som leverer 19 volt ved opptil 10,6 A med 92 % virkningsgrad. (Bildekilde: XP Power)

Denne eksterne strømforsyningen er fullstendig godkjent i henhold til internasjonale medisinske standarder. De elektriske parametrene inkluderer en pasientlekkasjestrøm som er mindre enn 100 mikroampere (µA), en typisk virkningsgrad på 92 %, et standby-strømforbruk på mindre enn 0,15 watt og en effektfaktor (PF – power factor) på >0,9.

Versjoner i både Klasse I og Klasse II er tilgjengelig, og forsyningen er klassifisert for drift i temperaturer fra 0 til 60 °C. Den har et fullstendig forseglet kabinett som er i samsvar med IP22-klassifiseringene, og den glatte overflatefinishen gjør den enklere å rengjøre i medisinske omgivelser.

For systemer med høyere effekt tilbyr XP Power AQM300PS48-C2, en Klasse II-enhet på 300 watt klassifisert for utgangseffekt på 48 volt/6,25 A og et standby-strømforbruk på under 0,5 watt. Selv om den er litt større, er denne forsyningen fortsatt kompakt, med en fysisk størrelse på bare 183 × 85 × 35 mm og en vekt på 1050 g.

XP Power tilbyr AQM250PS24, en Klasse 1-strømforsyning med en nominell effekt på 250 watt, 24 volt/10,4 A, og et standby-strømforbruk på under 0,15 watt. Den måler 172 x 67,1 x 32 mm.

Konklusjon

Eksterne, frittstående AC–DC-strømforsyninger for medisinsk utstyr må oppfylle strenge krav til forskrifter, drift, ytelse, sikkerhet og virkningsgrad. XP Power sin AQM-serie med eksterne strømforsyninger klassifisert for medisinsk bruk overgår disse ved å bruke GaN-enheter, noe som resulterer i en samlet kapsling som er halvparten så stor som en klassisk Si-enhet.