使用 GaN 器件縮小外部醫(yī)療 AC/DC 電源的尺寸

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

盡管電池技術(shù)和低功耗電路取得了進(jìn)步，但醫(yī)療系統(tǒng)是完全不受束縛的純電池設(shè)計(jì)可能不可行、不實(shí)用或不可接受的眾多應(yīng)用之一。相反，設(shè)備通常必須直接通過交流線路運(yùn)行，或者至少能夠在電池電量低時(shí)依靠交流電源插座進(jìn)行運(yùn)行。

除了滿足基本的交流/直流電源性能規(guī)范外，醫(yī)療電源還必須符合不太明顯的性能考慮因素的監(jiān)管要求，例如電流隔離、額定電壓、泄漏電流和保護(hù)手段
（MOP）。這些標(biāo)準(zhǔn)的制定是為了確保即使電源或負(fù)載出現(xiàn)故障，供電設(shè)備也不會(huì)將操作員或患者置于危險(xiǎn)之中。與此同時(shí)，醫(yī)療電源設(shè)計(jì)人員必須不斷提高效率并減小尺寸和重量。

本文討論了外部交流/直流電源在醫(yī)療儀器中的使用，并回顧了相關(guān)的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。然后介紹了XP
Power的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)人員可以使用這些產(chǎn)品來滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還利用氮化鎵 （GaN） 功率器件將電源的物理尺寸減小近一半。

基本電源設(shè)計(jì)要求

選擇交流/直流電源首先要考慮標(biāo)準(zhǔn)電源性能指標(biāo)。電源必須提供標(biāo)稱直流電壓，并能夠在該電壓下提供額定電流以支持負(fù)載。通用電源必須能夠適應(yīng)頻率為 47 至 63
赫茲 （Hz） 的寬范圍交流輸入電壓（通常為 85 伏交流 （VAC） 至 264 VAC）。

這些輸入和輸出電壓和電流額定值至關(guān)重要，但不足以完全定義電源。其他考慮因素包括：

動(dòng)態(tài)性能屬性，例如啟動(dòng)延遲、啟動(dòng)上升時(shí)間、保持時(shí)間、線路和負(fù)載調(diào)節(jié)、瞬態(tài)響應(yīng)、紋波和噪聲以及過沖

防止過載、短路和過熱

效率要求，它是電源最大額定功率的函數(shù)，并且必須沿著負(fù)載曲線具有特定值，包括滿負(fù)載、低負(fù)載和空載點(diǎn)

功率因數(shù) （PF） 接近于 1，其中特定 PF 數(shù)是功率水平和控制監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)

電磁兼容性 （EMC），表征電源的最大電磁干擾 （EMI）/射頻干擾 （RFI） 及其對靜電放電
（ESD）、輻射能量、突發(fā)能量事件、線路浪涌和磁場的敏感性領(lǐng)域

安全，定義了保護(hù)用戶和設(shè)備的基本要求，包括輸入與輸出之間、輸入對地、輸出對地之間的隔離電壓

醫(yī)療電源的要求

在評估醫(yī)療應(yīng)用電源時(shí)，額外的標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管要求使問題變得更加復(fù)雜。這些主要關(guān)系到患者和操作員的安全，確保電源在發(fā)生單一故障甚至雙重故障時(shí)不會(huì)面臨風(fēng)險(xiǎn)。

大多數(shù)問題與雜散電流或漏電流有關(guān)。胸部的標(biāo)準(zhǔn)線電壓（110/230 伏；50 或 60 赫茲），即使只持續(xù)不到一秒，在低至 30 毫安 （mA）
的電流下也可能誘發(fā)心室顫動(dòng)。如果電流直接到達(dá)心臟，例如通過心導(dǎo)管或其他電極，則低于 1 mA（交流或直流）的低得多的電流可能會(huì)導(dǎo)致顫動(dòng)。

這些是經(jīng)常引用的一些標(biāo)準(zhǔn)閾值，用于通過皮膚表面接觸流經(jīng)身體的電流，而內(nèi)部接觸的危險(xiǎn)數(shù)字要低得多：

1 mA：幾乎察覺不到

16 mA：普通身材的人可以抓住并“放開”的最大電流

20 mA：呼吸肌麻痹

100 mA：心室顫動(dòng)閾值

2 A：心臟驟停和內(nèi)臟器官損傷

風(fēng)險(xiǎn)水平也是流經(jīng)與身體的兩個(gè)接觸點(diǎn)的電流路徑的函數(shù)，例如穿過或穿過胸部，或從手臂向下到腳。這就是為什么最大限度地減少通過交流隔離變壓器介電絕緣層的漏電流至關(guān)重要。

如果絕緣質(zhì)量足夠好，泄漏電流量似乎可以忽略不計(jì)。然而，雖然這種泄漏可能是由于絕緣體的不完美性質(zhì)而物理“泄漏”的電流，但它也可能是由于電容耦合電流甚至可以穿過異常絕緣體而引起的。

理想變壓器的簡化模型顯示了其初級側(cè)和次級側(cè)之間的完美電流（歐姆）隔離（圖 1）。

圖 1：變壓器的基本模型顯示從初級側(cè)到次級側(cè)沒有電流路徑。 （圖片來源：電源制造商協(xié)會(huì)）

使用理想的變壓器，即使組件或接線故障在次級側(cè)提供了新的電流路徑，也沒有電流可以直接從交流電源流到受電產(chǎn)品以形成完整的電流環(huán)路返回交流電源。然而，沒有一個(gè)變壓器是完美的，初級到次級繞組間電容是預(yù)期的（圖 2）。

圖 2：更真實(shí)的模型顯示了初級側(cè)和次級側(cè)之間的基本繞組間電容 (C PS1 )。 （圖片來源：電源制造商協(xié)會(huì)）

更復(fù)雜的模型添加了額外的繞組間電容源（圖 3）。

* 圖 3：除了第一個(gè)中間繞組 (C ps1 )之外，還有其他變壓器電容。 （圖片來源：電源制造商協(xié)會(huì)）*

這種不需要的電容會(huì)產(chǎn)生漏電流，其值是許多變量的函數(shù)，例如電線尺寸、繞組模式和變壓器幾何形狀。該值的范圍可以從低至一皮法 (pF) 到幾微法拉 (μF)。除了基于變壓器電容的泄漏之外，意外電容的其他來源還包括印刷電路板 (PC 板) 上的間距、半導(dǎo)體和接地散熱器之間的絕緣以及其他組件之間的寄生效應(yīng)。

由于電容引起的變壓器漏電流并不是醫(yī)療電源法規(guī)所關(guān)注的唯一問題。基本的交流安全和絕緣是首要任務(wù)。根據(jù)電壓和功率水平，除了主屏障（或物理強(qiáng)化絕緣）之外，電源可能還需要第二個(gè)獨(dú)立的絕緣屏障。由于極端溫度、高壓引起的應(yīng)力和電壓浪涌，絕緣性能也會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，盡管它可能仍符合其額定值。

第一層絕緣通常稱為“基本絕緣”。一個(gè)例子是電線絕緣。第二層通常是絕緣外殼，如許多壁掛式和臺式電源中所見。

標(biāo)準(zhǔn)和保護(hù)手段 (MoP)

管理醫(yī)療電子和安全的主要標(biāo)準(zhǔn)是 IEC 60601-1。最新（第 4 ^版^ ）版本通過要求結(jié)合一種或多種“操作員保護(hù)手段”(MOOP) 和“患者保護(hù)手段”(MOPP) 的整體保護(hù)手段 (MOP) 擴(kuò)展了對患者的關(guān)注。

監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)還圍繞 MOOP 的提供方式創(chuàng)建了保護(hù)等級。它們被指定為 I 類和 II 類，并管理電源的結(jié)構(gòu)和絕緣。 I 類產(chǎn)品具有連接到安全接地的導(dǎo)電底盤。為了簡化本地墻壁插頭兼容性，該電源具有一個(gè) IEC320-C14 插座，用于連接用戶提供的帶安全接地導(dǎo)體的電源線（圖 4，左）。

相比之下，II 類電源具有帶安全接地連接的兩線電源線（圖 4，右）。由于沒有接地底盤，用戶和內(nèi)部載流導(dǎo)體之間有兩層絕緣（或單層加強(qiáng)絕緣）。

圖 4：I 類（左）和 II 類（右）單元具有接地三線或不接地兩線交流線路連接，通常與標(biāo)準(zhǔn) IEC 插座和用戶提供的電源線一起使用。 （圖片來源：XP Power）

結(jié)果是，任何指定用于醫(yī)療應(yīng)用并經(jīng)過 I 類或 II 類認(rèn)證的 AC/DC 電源都必須根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)和測試。幸運(yùn)的是，XP Power 等電源供應(yīng)商了解提供滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的電源所需的技術(shù)、制造和認(rèn)證問題。

尺寸也很重要

對醫(yī)療 AC/DC 電源施加的技術(shù)要求和監(jiān)管要求與物理尺寸無關(guān)，但尺寸很重要。大量供應(yīng)使空間有限的就地操作安排變得復(fù)雜，例如在救護(hù)車或移動(dòng)推車和辦公桌空間有限的臨床環(huán)境中。

在這些情況下，減小交流/直流電源的尺寸將是有益的，但這也是一個(gè)挑戰(zhàn)。最小供電尺寸受到遵守絕緣、爬電距離和間隙等監(jiān)管指南的限制。

縮小電源供應(yīng)的另一個(gè)問題是散熱。如果電源的體積和封裝表面積不足，其內(nèi)部溫度將高于較大電源的溫度，從而降低內(nèi)部有源、無源和絕緣元件的性能。由于潛在的氣流阻塞、長期可靠性問題以及增加的環(huán)境噪音，強(qiáng)制風(fēng)冷是不可接受的。

此外，產(chǎn)生的熱量可能會(huì)導(dǎo)致供應(yīng)箱的表面溫度升高到超出可接受的范圍，從而使患者和操作人員面臨危險(xiǎn)。縮小電源供應(yīng)的關(guān)鍵是使用適當(dāng)?shù)碾娐烽_關(guān)元件來最大限度地減少產(chǎn)生的熱量。

這就是基于 GaN 的開關(guān)器件比硅 (Si) 具有明顯優(yōu)勢的地方。其較低的串聯(lián)電阻、更快的開關(guān)時(shí)間和較低的反向恢復(fù)電荷可減少損耗，從而實(shí)現(xiàn)更高效、更涼爽、更緊湊的開關(guān)電源。

一個(gè)例子是 XP-Power 的AQM200PS19 ，它是AQM系列的成員。該電源的額定工作電壓為 19 伏/10.6 安 （A） I類操作。該裝置的尺寸約為 167 × 54 × 33 毫米 （mm），是具有這些額定值的傳統(tǒng)電源的一半，重量僅為 600 克 （g）（圖 5）。

圖 5：AQM200PS19 是一款 200 瓦 I 類裝置，可提供 19 伏電壓和高達(dá) 10.6 安培的電流，效率為 92%。 （圖片來源：XP Power）

該外部電源完全符合國際醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)。電氣參數(shù)包括小于 100 微安 (μA) 的患者漏電流、92% 的典型效率、小于 0.15 瓦的待機(jī)功耗以及 >0.9 的 PF。

該電源有 I 級和 II 級版本，額定工作溫度為 0° 至 60°C。它具有符合 IP22 防護(hù)等級的完全密封外殼，其光滑的表面光潔度有助于在醫(yī)療環(huán)境中更輕松地進(jìn)行清潔。

對于更高功率的系統(tǒng)，XP Power 提供AQM300PS48-C2，這是一款 300 瓦 II 級設(shè)備，額定輸出為 48 伏/6.25 安，待機(jī)功耗低于0.5 瓦。盡管尺寸稍大，但該電源仍然非常緊湊，尺寸僅為 183 × 85 × 35 毫米，重量為 1，050 克。

XP Power 提供 AQM250PS24 ，額定功率為 250 瓦，這是一款 24 伏/10.4 安的 1 類電源，待機(jī)功耗低于 0.15 瓦。尺寸為172 × 67.1 × 32 毫米。

結(jié)論

用于醫(yī)療設(shè)備的外部獨(dú)立交流/直流電源必須滿足嚴(yán)格的監(jiān)管、操作、性能、安全和效率要求。 XP Power 的 AQM 系列醫(yī)療級外部電源超越了使用 GaN器件的電源，其整體封裝尺寸僅為傳統(tǒng) Si 裝置的一半。