使用 GaN 器件可以減小外置醫(yī)用 AC/DC 電源的體積

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

盡管電池技術(shù)和低功耗電路不斷取得進(jìn)步，但對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，完全不依賴(lài)純電池設(shè)計(jì)可能是不可行、不適用和無(wú)法接受的。醫(yī)療系統(tǒng)就屬于這類(lèi)應(yīng)用。相反，設(shè)備通常必須直接通過(guò) AC 線(xiàn)路運(yùn)行，或至少在電池電量不足時(shí)連接 AC 插座即可運(yùn)行。

除了滿(mǎn)足基本的 AC/DC 電源性能規(guī)范外，醫(yī)用電源產(chǎn)品還必須符合監(jiān)管要求，即滿(mǎn)足電隔離、額定電壓、泄漏電流和保護(hù)措施 (MOP) 等不那么明顯的性能要求。制定這些標(biāo)準(zhǔn)是為了確保用電設(shè)備即使在電源或負(fù)載出現(xiàn)故障時(shí)，也不會(huì)給操作員或病人帶來(lái)危險(xiǎn)。與此同時(shí)，醫(yī)療電源的設(shè)計(jì)者必須不斷提地高效率，減小體積和重量。

本文將討論醫(yī)療儀器使用外置式 AC/DC 電源的問(wèn)題，并回顧相關(guān)的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。然后介紹 [XP Power] 的產(chǎn)品。設(shè)計(jì)者可利用這些產(chǎn)品滿(mǎn)足各種監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還可利用氮化鎵 (GaN) 功率器件將電源的實(shí)際尺寸縮小近一半。

電源設(shè)計(jì)的基本要求

選擇 AC/DC 電源時(shí)，首先要考慮標(biāo)準(zhǔn)的電源性能指標(biāo)。電源必須提供標(biāo)稱(chēng) DC 電壓，并能在該電壓下提供支持負(fù)載所需的額定電流。通用電源必須能適應(yīng)頻率為 47 Hz 至 63 Hz 的各種 AC 輸入電壓（通常為 85 VAC 至 264 VAC）。

雖然輸入和輸出電壓及額定電流至關(guān)重要，但不足以完全定義一個(gè)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(xiàn)路和負(fù)載調(diào)節(jié)、瞬態(tài)響應(yīng)、紋波和噪聲以及過(guò)沖
• 過(guò)載、短路和超溫保護(hù)
• 效率要求是電源最大額定功率的函數(shù)，必須在負(fù)載曲線(xiàn)上具有特定值，包括滿(mǎn)載點(diǎn)、低負(fù)載點(diǎn)和空載點(diǎn)
• 功率因數(shù) (PF) 接近于 1，具體的 PF 值取決于功率水平和控制監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)
• 電磁兼容性 (EMC)，用于描述電源的最大電磁干擾 (EMI) 和射頻干擾 (RFI) 以及對(duì)靜電放電 (ESD)、輻射能量、突發(fā)能量事件、線(xiàn)路浪涌和磁場(chǎng)的敏感性
• 安全，定義了用戶(hù)和設(shè)備的基本保護(hù)要求，包括輸入與輸出、輸入與地和輸出與地之間的隔離電壓

對(duì)醫(yī)用電源的要求

在評(píng)估醫(yī)療應(yīng)用電源時(shí)，額外的標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管規(guī)定使得問(wèn)題更加復(fù)雜。這主要涉及病人和操作人員的安全，確保在發(fā)生單故障甚至雙故障時(shí)，電源不會(huì)危及其中任何一方。

受人們關(guān)注的大部分問(wèn)題都與雜散電流或泄漏電流有關(guān)。線(xiàn)路標(biāo)準(zhǔn)電壓（110/230 V；50 Hz 或 60 Hz）即使只持續(xù)幾分之一秒，也可能在低至 30 mA 的電流下誘發(fā)心室顫動(dòng)。如果電流直接流經(jīng)心臟，例如通過(guò)心導(dǎo)管或其他電極，那么小于 1 mA（AC 或 DC）的電流就會(huì)導(dǎo)致心顫。

這些是電流通過(guò)接觸皮膚表面流經(jīng)人體時(shí)經(jīng)常引用的一些標(biāo)準(zhǔn)閾值。相比之下，發(fā)生內(nèi)部接觸時(shí)的危險(xiǎn)電流要低得多：

• 1 mA：幾乎感覺(jué)不到
• 16 mA：一個(gè)普通身材的人能夠抓住并“放手”的最大電流
• 20 mA：呼吸肌麻痹
• 100 mA：心室顫動(dòng)閾值
• 2 A：心臟停跳和內(nèi)臟受損

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也是電流流經(jīng)身體上兩個(gè)接觸點(diǎn)的路徑的函數(shù)，例如穿過(guò)或通過(guò)胸部或從手臂一直流到腳。因此，最大限度地降低通過(guò) AC 隔離變壓器絕緣介質(zhì)的泄漏電流至關(guān)重要。

如果絕緣質(zhì)量足夠好，泄漏電流似乎可以忽略不計(jì)。不過(guò)，雖然這種泄漏可能是由于絕緣材料的特性不完美而造成的物理“泄露”電流，但它也可能是由于電容耦合電流造成的，這些電流甚至可以穿過(guò)特殊的絕緣材料。

理想變壓器的簡(jiǎn)化模型顯示了其初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間具有完美的電隔離（阻性）（圖 1）。

圖 1：變壓器的基本模型顯示，初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間沒(méi)有電流通路。（圖片來(lái)源：Power Sources Manufacturers Association）

在理想的變壓器中，即使部件或線(xiàn)路故障在次級(jí)側(cè)提供了新的電流路徑，也不會(huì)有電流直接從 AC 電源流向受電產(chǎn)品，從而形成一個(gè)完整的電流回路返回 AC 電網(wǎng)。然而，沒(méi)有一臺(tái)變壓器是完美無(wú)缺的，初級(jí)到次級(jí)間存在互繞電容 （圖 2）。

圖 2：一臺(tái)更逼真的模型顯示了一次側(cè)和二次側(cè)之間的基本互繞電容 (C ps1 )。（圖片來(lái)源：Power Sources Manufacturers Association）

更復(fù)雜的模型增加了額外的互繞電容源（圖 3）。

圖 3：除第一互繞電容 (C ps1 ) 外，還有其他變壓器電容。（圖片來(lái)源：Power Sources Manufacturers Association）

這種意外電容會(huì)造成泄漏電流流動(dòng)，這種電容值與許多變量有關(guān)，如線(xiàn)徑、繞組模式和變壓器的幾何形狀。該電容值范圍從低至一個(gè)皮法 (pF) 到幾個(gè)微法 (μF)。除了變壓器容性漏電外，其他意外電容源自包括印刷電路板上的間距、半導(dǎo)體和接地散熱器之間的絕緣，甚至其他部件之間的寄生效應(yīng)。

由電容引起的變壓器漏電流并不是醫(yī)療電源規(guī)范要解決的唯一問(wèn)題?；镜?AC 安全和絕緣是首要任務(wù)。根據(jù)電壓和功率等級(jí)的不同，除了主隔離層外（或稱(chēng)物理加固型隔離層），電源可能還需要第二個(gè)獨(dú)立的隔離層。隨著時(shí)間的推移，絕緣性能也會(huì)因極端溫度、高電壓應(yīng)力和電壓浪涌而降低，但仍能達(dá)到其額定值。

第一隔離層通常被稱(chēng)為“基本隔離層”。例如電線(xiàn)絕緣層。第二隔離層通常是絕緣外殼，如許多壁掛式電源和臺(tái)式電源。

標(biāo)準(zhǔn)和保護(hù)措施 (MoP)

管理醫(yī)療電子設(shè)備和安全的主要標(biāo)準(zhǔn)是 IEC 60601-1 標(biāo)準(zhǔn)。最新版（第 4^ ^版）擴(kuò)大了對(duì)患者的關(guān)注范圍，要求將一個(gè)或多個(gè) “操作員保護(hù)措施”(MOOP) 和“患者保護(hù)措施”(MOPP) 相結(jié)合，形成一種整體保護(hù)措施 (MOP)。

監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)還圍繞如何提供 MOOP 設(shè)立了保護(hù)等級(jí)。這些標(biāo)準(zhǔn)分為 I 類(lèi)和 II 類(lèi)，對(duì)電源的結(jié)構(gòu)和絕緣進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。I 類(lèi)產(chǎn)品的導(dǎo)電底盤(pán)與安全接地相連。為了簡(jiǎn)化就地墻壁插頭的兼容性，該電源配備 IEC320-C14 插座，方便用戶(hù)提供的帶安全接地導(dǎo)體的電源線(xiàn)（圖 4，左）。

相比之下，II 類(lèi)電源的電源線(xiàn)采用雙線(xiàn)制，帶有安全接地連接（圖 4，右）。由于沒(méi)有接地底盤(pán)，用戶(hù)和內(nèi)部載流導(dǎo)體之間存在兩層絕緣（或單層強(qiáng)化絕緣）。

圖 4：I 類(lèi)（左）和 II 類(lèi)（右）設(shè)備采用接地三線(xiàn)制或不接地兩線(xiàn)制 AC 線(xiàn)路連接，通常與標(biāo)準(zhǔn) IEC 插座和用戶(hù)提供的電源線(xiàn)一起使用。（圖片來(lái)源：XP Power）

因此，任何指定用于醫(yī)療應(yīng)用并被認(rèn)證為 I 類(lèi)或 II 類(lèi)的 AC/DC 電源都必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。幸運(yùn)的是，XP Power 等電源供應(yīng)商了解提供符合這些標(biāo)準(zhǔn)的電源所需的技術(shù)、制造和認(rèn)證問(wèn)題。

尺寸也很重要

對(duì)醫(yī)用 AC/DC 電源的技術(shù)要求和監(jiān)管規(guī)定與物理尺寸無(wú)關(guān)，但尺寸卻很重要。在空間有限的情況下，如在救護(hù)車(chē)或臨床環(huán)境中，移動(dòng)小車(chē)和辦公桌的空間有限，大型電源會(huì)使現(xiàn)場(chǎng)操作安排復(fù)雜化。

在這種情況下，減小 AC/DC 電源的尺寸會(huì)有好處，但這也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。由于需要遵守有關(guān)絕緣、爬電和間隙等的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，最小電源尺寸會(huì)受到限制。

縮小電源的另一個(gè)問(wèn)題是散熱。如果電源的體積和封裝表面積不足，其內(nèi)部溫度就會(huì)高于較大型電源，從而降低內(nèi)部的有源、無(wú)源和絕緣元件的性能。由于可能出現(xiàn)的氣流阻塞、長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題和增加環(huán)境噪聲，因此不宜采用強(qiáng)制風(fēng)冷。

此外，電源內(nèi)部的熱量可能會(huì)導(dǎo)致電源外殼溫度升高，超出允許范圍，給病人和操作人員帶來(lái)危險(xiǎn)。縮小電源體積的關(guān)鍵在于使用適當(dāng)?shù)碾娐烽_(kāi)關(guān)元件，將產(chǎn)生的熱量降至最低。

與硅 (Si) 器件相比，基于 GaN 的開(kāi)關(guān)器件在這方面的優(yōu)勢(shì)明顯。這類(lèi)器件的串聯(lián)電阻更小、開(kāi)關(guān)時(shí)間更快、反向恢復(fù)電荷更低，從而降低了損耗，使開(kāi)關(guān)電源的效率更高、溫度更低、結(jié)構(gòu)更緊湊。

例如 XP-Power 的 [AQM200PS19] 電源。這款電源屬于 [AQM]系列。該電源的額定值 19 V/10.6 A，屬于 I 類(lèi)運(yùn)行。該電源的尺寸約為 167 × 54 × 33 mm，是具有相同額定值的傳統(tǒng)電源體積的一半，且重量?jī)H為 600 g（圖 5）。

圖 5：AQM200PS19 是一款 200 W、I 類(lèi)電源，能以高達(dá) 10.6 A 的電流提供 19 V 電壓，其效率高達(dá) 92%。（圖片來(lái)源：XP Power）

該外置式電源完全符合國(guó)際醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)。其電氣參數(shù)包括：患者漏電流小于 100 μA，典型效率為 92%，待機(jī)功耗小于 0.15 W 且 PF > 0.9。

該電源有 I 類(lèi)和 II 類(lèi)兩種型號(hào)，額定工作溫度為 0°C 至 60°C。這種電源的采用全密封外殼，符合 IP22 防護(hù)等級(jí)，表面光滑，便于在醫(yī)療環(huán)境中清潔。

對(duì)于功率更大的系統(tǒng)，XP Power 提供 [AQM300PS48-C2]300 W、II 類(lèi)電源。這款電源的額定值為為 48 V/6.25 A，待機(jī)功耗低于 0.5 W。雖然體積稍大，但這款電源依然外形緊湊，僅為 183 × 85 × 35 mm，重 1050 克。

XP Power 的 [AQM250PS24] 額定功率為 250 W，是一款 24 V/10.4 A、I 類(lèi)電源，待機(jī)功耗低于 0.15 W。這款電源的體積為 172 × 67.1 × 32 mm。

結(jié)束語(yǔ)

用于醫(yī)療設(shè)備的外置式獨(dú)立 AC/DC 電源必須滿(mǎn)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(jí)外部電源采用 GaN 器件，其整體封裝尺寸僅為傳統(tǒng)硅器件電源的一半，超過(guò)了上述標(biāo)準(zhǔn)。