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醫療應用的3D電源封裝DC/DC轉換器

2021-07-13 來源:EEWORLD



具有醫療級隔離的DC/DC轉換器可與AC/DC電源或電池供電設備結合使用,不僅降低醫療應用中的終端產品成本,還能滿足最高等級的安全標準。


電子設備正越來越多地被應用在不同的醫療和家庭診療環境中,所用設備必須嚴格符合相關電氣安全標準:IEC 60601-1:2005及其附帶文件和國家標準,包括歐洲的EN 60601-1:2006。


考慮產品所需的AC/DC電源時可參閱最新版安全標準的應用指南,其中提到了操作者和患者環境應有的「保護措施」(MOPs)。直接指定使用具有最高安全等級,也就是具有雙重患者保護措施(MOPPs)的電源似乎是更為明智的做法,最大額定電源電壓和漏電流符合接觸患者的CF型(心臟浮動)的要求;CF型指的是電會連接到器官以進行監測或刺激。電池供電的設備可能會被視為不適用安全標準,然而在某些情況下僅靠有完整認證的AC/DC是不夠的,而在其他情況下是在規格以上,也有一些應用是電池供電的設備需要內部安全隔離。


以交流供電設備為例,從交流線路到輸出至少要有2 x MOOP或MOPP隔離,這取決于設備將分別在操作者或患者的環境中使用。然而,患者連接的輸出必須與接地至少有1 x MOPP隔離,以避免患者成為其他故障設備的「火線」,讓致命的電流經過患者流向大地。在這種情況下,額外的隔離式DC/DC轉換器可以為連接患者的電路供電。如果它有合適的醫療級隔離,就可以使用只有1 x MOPP輸出隔離的AC/DC轉換器。


在另一種未指明信號連接的情況下,例如交流電或電池供電的設備通信端口,患者連接和信號之間必須有2 x MOPP以防外部故障導通信號。同樣地,額外的DC/DC轉換器可以提供所需的隔離。圖1舉出一個特殊情況的例子,一個具有未指明信號輸入的Class I、2 x MOOP的AC/DC電源,外加一個2 x MOPP的DC/DC轉換器,可以為信號輸入提供必要的隔離,允許在患者連接的環境中使用較低成本的「操作者等級」的AC/DC電源。


DC/DC轉換器通常只需為患者連接接口提供低功率,所以相對較小且成本較低。由于尺寸的關系它的耦合電容通常很低,漏電流也因此非常低,與單獨使用AC/DC的情況相比能提供更高的患者連接等級。

 

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圖1:使用經濟實惠的器件即可實現最高等級的與患者連接的醫療電源方案


必須謹慎選擇醫療應用的DC/DC轉換器


DC/DC轉換器已經成為商品器件,可以通過許多來源購買各種隔離級別、經過或未經過機構認證的轉換器。設計人員應要知道到高耐壓等級通常僅代表瞬態抗擾性,若未經過特殊機構的相關標準認證,該產品可能不適合拿來作為任何類型的安全屏障。對醫療應用來說,DC/DC的規格書應標示保護措施的等級,MOOP或指定系統電壓的MOPP(通常為250VAC)。DC/DC有可能合法獲得2 x MOPP認證,但僅在30VAC才有可能,如果系統電壓為“正常”交流電源則很危險。醫療級DC/DC轉換器并不常見,因為要在器件內部實現高隔離等級并不容易。標準要求使用堅固的固體絕緣材料或在輸入與輸出之間有較大的間距,例如2 x MOPP/250VAC的認證要求爬電距離要有8mm,這對內部結構設計來說是一大困難。


RECOM最近發布的R05CT05S是一個實現高等醫療級隔離的DC/DC轉換器的例子(圖2)。這是一款經濟型0.5W器件,具有5V的標稱輸入以及3.3V、5V、3.7V或5.4V的輸出,為低壓差穩壓器(LDO)供電。轉換器采用緊湊的10.3mm x 7.7mm SMD封裝,高度僅2.65mm,適合空間受限的應用。該產品的醫療應用的亮點規格是2 x MOPP/250VAC連續額定電壓,測試電壓為5kVAC符合IEC/EN 60601-1標準。它還具有3.5pF的耦合電容,250VAC/50Hz應用的漏電流可忽略不計。它在非醫療應用中的額定電壓更加出色–800VAC增強型隔離工作電壓符合EN 62368-1標準。降額時最高工作溫度可達140°C,器件功能包括使能、同步、調整以及欠壓鎖定。


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圖2:2 x MOPP/250VAC額定電壓的隔離式DC/DC轉換器


先進的電源封裝實現醫療級隔離


R05CT05S的設計人員必須對產品包裝采取嶄新的做法以兼具功能性和高隔離等級。傳統的環形變壓器不能滿足絕緣要求而線軸E型磁芯或類似的則太大,因此開關頻率被推升至8MHz,允許更少的繞組匝數和較小的平面變壓器磁芯,同時采用堅固的繞組間絕緣以滿足醫療級要求。即使在高開關頻率下,嵌入式管芯的先進電路設計也能維持良好的效率。芯片引線鍵合至DVE SOIC-16引線框之后再將整個產品包覆成型。


結論


醫療級認證的高隔離DC/DC轉換器是很有價值的器件,可為最敏感的應用實現所需的隔離等級,包括CF型患者連接。通過謹慎應用,設計系統時使用RECOM R05CT05S可以在不影響安全性的情況下最大程度地降低成本。該產品采用的先進電路和3D電源封裝技術是RECOM最新產品的必備技術,持續推動公司在醫療等廣大應用上朝向更小、更高效、更具成本效益的DC/DC和AC/DC轉換器的目標邁進。



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