I designet af medico-applikationer er valget af strømforsyninger ikke bare kritiske for apparatets funktion, men i høj grad også for patientens sikkerhed. Man skal overveje en lang række faktorer lige fra fundamentale krav til spænding og strøm til de mere nuancerede aspekter som daglige brugsmønstre og meget mere …
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 5 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Andrew Bryars, senior product manager, XP Power
Selv om det er vigtigt at specificere spænding og strøm i planlagte medico-applikationer, så er der flere hensyn at tage. Inden for spænding og strøm gælder det for de nedre dele af spændingsområdet på input, hvor kategorien af udstyr – som eksempelvis hjerte-/lungeudstyr, skal kunne arbejde driftssikkert ved spændinger helt ned til 80VAC – mens grænsen for ikke-livskritisk udstyr ligger på 85VAC.
Gennem udstyrs designiterationer bliver grejet løbende mindre og lettere at bære i felten. Det øger også behovet for mindre strømforsyninger. En reduktion i størrelsen er dog en udfordring for designerne af forsyninger, da der ikke må ofres effektivitet. Skulle effektiviteten falde, så skal en øget mængde spildvarme fjernes effektivt fra mindre udstyr, hvilket er svært, hvis man ikke skal flytte luften fysisk.
Medico-elektronikkens kritiske natur understreger betydningen af støjimmunitet og støjudstråling. Strømforsyningen må ikke påvirke – eller påvirkes af andre dele af designet, især kontrolkredsløbene. Tilsvarende må driftstilstanden for forsyningen ikke kunne påvirkes af elektrisk støj genereret i applikationen selv. Designere skal desuden sikre, at støj og ripple på output er så tilpas lave, at disse parametre ikke påvirker følsomme kredsløb, som ellers ville kunne give forkert trigging eller udlæsning af resultater.
Kølemuligheder og støjbetragtninger
Fra et mekanisk synspunkt er styringen af vejen for varmeafledningen afgørende. Mange ingeniører anerkender en elektrolytkondensators levetid som en fundamental pålidelighedsfaktor i strømforsyninger, og varme påvirker elektrolyttens egenskaber og dermed levetid. Afhængigt af en elektrolyts kvalitet varierer levetiden betydeligt. Som en tommelfingerregel fordobles en elektrolytkondensators levetid for hver 10°C reduktion af driftstemperaturen, så en ’lyt, der vil kunne holde i 20.000 timer ved 105°C vil for eksempel kunne have en levetid på 40.000 timer ved 95°C og 80.000 timer ved 85°C, hvilket jo svarer til mere end ni års kontinuert drift.
Designere af medico-udstyr vil måske fristes til at overspecificere en strømforsyning, så den ikke arbejder ved fuld effekt og dermed påvirker pålideligheden. I et fuldt kapslet apparat vil valget af en højeffektiv strømforsyning minimere spildvarmen, men varmen skal alligevel føres ud af apparatets kapsling. Man skal derfor overveje, hvilke kølemuligheder der vil kunne fungere bedst for at minimere den varmestigning, som elektrolytterne måtte opleve.
Ved forceret køling leveres luftflowet af en blæserkøling, der ofte producerer en hørbar støj. Flere støjkilder i et patientmiljø i hospitaler eller klinikker fra udstyret generer patienterne, som har brug for et stille sengeleje. Og er vi i laboratoriet, er det i høj grad irriterende for personalet, hvis cellemikroskoper, centrifuger eller andet udstyr larmer. Lang tids påvirkning af støj kan føre til træthed og i værste fald stress.
Konvektionskøling er mere populært. Ligesom for blæserkøling skal der være ventilationsgitre i udstyret, så varmen kan undslippe. Afhængigt af det medicotekniske udstyr og det miljø, som udstyret befinder sig i, kan åbninger i udstyrets kabinetter være uhensigtsmæssigt, da støv og bakterier kan trænge ind i udstyret, og det gør det svært for personalet at desinficere og renholde udstyret. Glatte apparatoverflader, der er lette at tørre af, er betragteligt bedre. Et alternativ er derfor konduktionskøling, hvor varmen føres fra elektronikken til apparatets overflade, og så kan man få fuldt forseglede designs.
Medicinske sikkerhedsstandarder og de anvendte komponenter
Afhængigt af, hvor apparaterne skal stå – og hvordan de skal fungere – så kan det være, at selv hospitaler ikke behøver medico-godkendte strømforsyninger. Hvis et udstyr er mere end to meter væk fra en patient, kan man bruge en standard ITE-godkendt strømforsyning. Men skal DC-output på en strømforsyning bruges til en del af designet, som har patientberøring, så skal strømforsyningen opfylde 60601-1-standarden.
Der er tre klassificeringer for anvendt patientbrug (Applied Parts – AP) – Type B, BF og CF. Type B (Body) er for en AP, der ikke er elektrisk forbundet til patienten, og som eventuelt skal jordes. Type B-udstyr inkluderer hospitalssenge, lys i operationsstuer og MRI-scannere. Type BF (Body Floating) apparater som ultralyd, inkubatorer og blodtryksmonitorer er direkte forbundet til patienten gennem sensorer. Kirurgiske instrumenter har den strengeste Type CF (Cardiac Floating) certificering, da AP’en elektrisk vil have kontakt til patientens hjerte eller blodkar.
Man skal vide, at man ikke kan sikkerhedsgodkende en embedded strømforsyning til Type BF, da kun det endelige apparat kan sikkerhedsgodkendes. Producenten af strømforsyninger kan dog designe en forsyning til at være egnet til BF-applikationer. Output-til-jord skal være 1xMOPP (Means of Patient Protection) i sin basale isolation, og den maksimale lækstrøm skal være mindre end 100µA. Hvis strømforsyningen opfylder disse sikkerhedskrav, kan den bruges i Type BF-applikationer og medicoteknisk udstyr uden elektrisk berøring af patienten.
I den aktuelle AP er der ofte en separat DC/DC-konverter, der måske også har en 1xMOPP input-output isolation. Hvis man har en 2xMOPP strømforsyning kan man – afhængigt af applikationen – undlade en DC/DC-konverter. I praksis har mange applikationer isolationskrav, som gør, at en ekstra beskyttelse gennem brugen af medico-godkendte DC/DC-konvertere kan være nødvendig. I applikationer, hvor der måtte være multiple Type BF-applied parts, kan det være en enklere løsning at anvende multiple 1xMOPP DC/DC-konvertere.
Forstå ”peak-effekt”
Peak-output for en strømforsyning er begrænset af flere faktorer. Den første er, om designet kan levere den ekstra effekt, og den anden er, om temperaturen af komponenter kan blive opvarmet til et punkt, hvor de fejler. Så uanset hvilken peak-effekt, man stræber efter, så skal den ligge inden for de enkelte komponenters termiske specifikationer. Man skal også overveje, hvor man sætter sin strømbegrænser. Man vil normalt sætte grænsen meget snævert, men en strømforsyning, der tillader peak-belastninger skal enten have en bredere defineret begrænsning eller et forsinket beskyttelseskredsløb.
Spændingen på output kan falde ved peak-effekter, men den skal fortsat være inden for sin specificerede tolerance. I visse applikationer som DC-motorstyringer til justering af højden på en tandlægestol, vil man nok kun sjældent have brug for en peak-effekt – og nok kun i korte bursts. Under de omstændigheder kan man måske være fristet til at vælge en strømforsyning med en lidt mindre nominel effekt. Hvis man kan klare sig med forsyning på nominelt 400W i en applikation, som kræver måske 550W eller 600W, så skal man sikre sig, at strømbegrænsningen er indstillet passende, og at komponenterne som elektrolytterne er inden for de termiske maksimalværdier ved peak-effekt for forsyningen.
Designere har oftest brug for en COTS-forsyning, commercial-off-the-shelf strømforsyning, der med succes kan implementeres og godkendes. Det skal være en forsyning, der overholder de specifikationer, som den givne medico-applikation kræver, men i så fald kan en kommerciel forsyning reducere udviklingsomkostninger og godkendelsestiden. En lavprofil, kompakt forsyning med høj effektivitet og energitæthed med enten konduktions- eller konvektionskøling – og med de relevante EMC- og sikkerhedsgodkendelser til globale healthcare-applikationer – som CCP550 fra XP Power – er en tiltalende løsning.
Databladet for CCp550 leverer levetidskurver baseret på gennemsnitstemperaturer for de væsentligste elektrolytter. Disse data kan bruges til evaluering af produktlevetiden ved installation i et individuelt kundedesign baseret på udstyrets komponenttemperaturer, daglige brug og den termiske missionsprofil i de enkelte kølemiljøer.
Billedtekster:
1: Hospitalssenge kræver typisk medico-godkendte strømforsyninger, der overholder IEC 60601-1-standarden, så patienter og plejepersonale ikke risikerer at få elektriske stød.
2: En MRI-scanner er et medicoteknisk Type B-apparat, der er designet til diagnostisk billedgenerering uden direkte elektrisk kontakt til patienten.
3: CCP550-serien fra XP Power er ideel til blæserløse applikationer, hvor blæsere er uønskede ligesom indtrængende partikler og bakterier. Denne forsyning understøtter helt glatte kabinetoverflader.
