Sposób doboru i stosowania przetwornic prądu stałego montowanych na płytkach w systemach medycznych

Zabezpieczenie działania systemu

Zapewnienie działania systemu to kolejny wymóg stawiany urządzeniom medycznym. Płytki drukowane w urządzeniach medycznych, w tym przetwornice prądu stałego, muszą spełniać wymagania klasy 3, poziomu 3 wg normy IPC-A-610 dla produktów o wysokich parametrach działania. Płytki drukowane klasy 3 winny zapewniać ciągłe działanie lub działanie na żądanie, bez przestojów sprzętu. W przypadku tych płytek wymagany jest wysoki poziom kontroli i prób według rygorystycznych norm. Typowe zastosowania, w których wykorzystuje się płytki drukowane klasy 3 obejmują systemy o znaczeniu krytycznym, takie jak urządzenia medyczne, systemy podtrzymywania życia, systemy samochodowe i sprzęt wojskowy.

Wymagania dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) dla projektów medycznych są surowe i ostatnio stały się jeszcze bardziej rygorystyczne. Norma IEC 60601-1-2:2014 A1:2020 dotyczy bezpieczeństwa i działania urządzeń oraz systemów medycznych w obecności zakłóceń elektromagnetycznych. Nakłada też ograniczenia dotyczące zakłóceń elektromagnetycznych emitowanych przez urządzenia i systemy medyczne. W najnowszym opublikowanym w 2020 r. wydaniu przewodzone emisje (CISPR 11) muszą być testowane przy minimalnym i maksymalnym napięciu znamionowym, podczas gdy w poprzednim wydaniu wymagano próby tylko przy jednym napięciu. Urządzenia i systemy medyczne, takie jak przetwornice prądu stałego, które pomyślnie przeszły próbę przy jednym napięciu, mogą nie przejść próby przy minimalnym i maksymalnym napięciu znamionowym. Inne zmiany w najnowszym wydaniu:

• Poziomy prób odporności są teraz określane w odniesieniu do środowiska przeznaczenia, a kategorie lokalizacji są zharmonizowane z normą IEC 60601-1-11. Przykłady: zakłady opieki zdrowotnej i sprzęt przeznaczony do użytku w środowiskach mieszkalnych i specjalnych.
• Próby odporności i poziomy prób są określane na podstawie portów w medycznym sprzęcie elektrycznym będącym częścią medycznego systemu elektrycznego.
• W porównaniu do prób określonych w poprzednim wydaniu, wprowadzono dodatkowe próby, aby zapewnić bezpieczne działanie urządzeń i systemów medycznych, gdy przenośne urządzenia komunikacyjne są używane w bliższej odległości.

Standardowe przetwornice prądu stałego do zastosowań medycznych

Stojąc w obliczu konieczności spełnienia niezliczonych wymagań w zakresie bezpieczeństwa medycznego i parametrów działania, projektanci mogą poświęcić czas i zasoby na opracowanie własnej przetwornicy i przejście przez procesy kwalifikacji oraz certyfikacji lub skorzystać z oferty przetwornic serii THM 60WI firmy TRACO Power. Te przetwornice prądu stałego o mocy 60W są dostarczane w plastikowej obudowie typu „quarter-brick” o wymiarach 2,3 x 1,45” (ilustracja 2). Przetwornice te charakteryzują się szerokim zakresem napięć wejściowych 4:1, dzięki czemu nadają się zarówno do konstrukcji zasilanych prądem zmiennym, jak i zasilanych bateryjnie. Mają wzmocnioną izolację 5000V~ między wejściem a wyjściem, prąd upływu mniejszy niż 4,5μA, posiadają certyfikat zgodności z normą IEC/EN/ES 60601-1 (3. wydanie) dla dwóch środków ochrony pacjenta (2 x MOPP), zgodności z normą IEC/EN/UL 62368-1 i posiadają dokumentację zarządzania ryzykiem według normy ISO 14971. Ich projektowanie i produkcja są zgodne z wymaganiami dla systemów zarządzania jakością wg normy ISO 13485. Oprócz projektów medycznych, seria THM 60WI nadaje się również do zastosowań transportowych, przemysłowych oraz kontrolno-pomiarowych.

Seria przetwornic prądu zmiennego THM 60WI obejmuje 12 modeli z zakresami napięć wejściowych od 9 do 36V= lub od 18 do 75V= oraz z pojedynczymi lub podwójnymi wyjściami o napięciu 5,1, 12, 15, 24, ±12V lub ±15V= o sprawności do 92%. Na przykład model THM 60-2411WI charakteryzuje zakres napięć wejściowych od 9 do 36V=, napięcie wyjściowe 5,1V= przy natężeniu 12A i sprawność 90%. Ta seria przetwornic prądu stałego z dwoma środkami ochrony pacjenta (2 x MOPP) i poziomem bezpieczeństwa ciała bezpotencjałowego (BF) jest odpowiednia do zastosowań wchodzących w kontakt z ciałem (AP). Obliczony średni czas pomiędzy awariami (MTBF) wynosi ponad 1 milion godzin (dla urządzeń klasy GB według normy MIL-HDBK-217F), a okres gwarancji to 5 lat. Podsumowanie charakterystyki:

• Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) zgodna z normą IEC 60601-1-2 (wydanie 4)
• Wzmocniona izolacja 5000V~, natężenie prądu upływu <4,5µA
• Zdalny pomiar; funkcje strojenia napięcia wyjściowego i zdalnego włączania/wyłączania
• Ochrona przed zbyt niskim napięciem na wejściu, zwarciem na wyjściu, nadmierną temperaturą i nadmiernym napięciem na wyjściu
• Zakres temperatur roboczych otoczenia od -40°C do +75°C, który można rozszerzyć dzięki użyciu opcjonalnego radiatora

Opcje konstrukcyjne z punktu widzenia temperatury

Przetwornice prądu stałego serii THM 60WI w obudowie typu quarter-brick są przeznaczone do pracy w temperaturach otoczenia do +75°C, przy czym im wyższa jest temperatura, tym niższe parametry. Na potrzeby bardziej wymagających środowisk termicznych firma TRACO oferuje również: radiator THM-HS1 o impedancji cieplnej 4,71K/W, który znacznie zwiększa rozpraszanie ciepła zarówno w warunkach naturalnej konwekcji, jak i wymuszonego obiegu powietrza. Na przykład użycie radiatora THM-HS1 w połączeniu z przetwornicą THM 60-2411WI zwiększa maksymalną temperaturę pracy przy pełnym obciążeniu z około 30°C do 60°C (przy przepływie powietrza wynoszącym 20LFM) i z około 80°C do 90°C przy przepływie powietrza 500LFM) (ilustracja 3).

Ilustracja 3: Obniżenie parametrów ze wzrostem temperatury dla przetwornicy THM 60-2411WI bez radiatora (po lewej) i z opcjonalnym radiatorem (po prawej) pokazuje, jak bardzo radiator zwiększa maksymalną temperaturę pracy. (Źródło ilustracji: TRACO Power)

Zgodność z normą EN 55032

Zgodnie z normą EN 55032 każdy sprzęt używany głównie w środowisku mieszkalnym na terenie Ameryki Północnej musi spełniać ograniczenia klasy B. Wszystkie pozostałe urządzenia muszą być zgodne z ograniczeniami klasy A. Firma TRACO oferuje sugerowane modele filtrów zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) zarówno dla środowisk klasy A, jak i klasy B (ilustracja 4).

Ilustracja 4: Filtrowanie dla modeli z dwoma wyjściami w celu uzyskania zgodności z ograniczeniami klasy A według normy EN 55032 (po lewej) i sugerowany układ płytki drukowanej (po prawej). (Źródło ilustracji: TRACO Power)

Filtr klasy A składa się z: kondensatora aluminiowego 100μF/100V (C1), wielowarstwowego kondensatora ceramicznego 1210 (MLCC) 2,2μF/100V (C2), kondensatorów Y1 100pF (C3 i C4), dławika sygnałów wspólnych 285μH (TCK-103 firmy TRACO Power) (L1).

Sugerowany filtr zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) klasy B pokazano na ilustracji 5. Składa się on z: kondensatora aluminiowego 100μF/100V (C1), kondensatorów 1210 MLCC 2,2μF/100V (C2, C3 i C4), kondensatorów Y1 47pF (C5 i C6), kondensatorów Y1 33pF (C7 i C8), dławików sygnałów wspólnych 285μH (TCK-103) (L1 i L2) (ilustracja 5).

Ilustracja 5: Filtrowanie dla modeli z jednym wyjściem pod kątem zgodności z ograniczeniami klasy B według normy EN 55032 (po lewej) i sugerowany układ płytki drukowanej (po prawej). (Źródło ilustracji: TRACO Power)

Podsumowanie

Projektowanie zasilaczy do zastosowań medycznych jest trudne, ale projektanci mogą zdecydować się na gotowe przetwornice prądu stałego montowane na płytkach. Mimo to ważne jest, aby wyboru dokonywać starannie. Odpowiednia przetwornica prądu stałego może zwiększać wszystkie aspekty bezpieczeństwa urządzeń medycznych, w tym bezpieczeństwa pacjentów i operatorów sprzętu oraz ochrony sprzętu przed potencjalnie szkodliwymi warunkami. Może również obsługiwać różne architektury zasilania, w tym zasilanie sieciowe i zasilanie bateryjne, zapewniając jednocześnie ochronę przed nadmiernym napięciem, zwarciem i zbyt niskim napięciem.

Żródło: Sposób doboru i stosowania przetwornic prądu stałego montowanych na płytkach w systemach medycznych

Autor: Jeff Shepard

Kontakt w Polsce: Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey

Digi-Key Electronics Germany

0048 696 307 330

arkadiusz.rataj@digikey.com

poland.support@digikey.pl