用于醫(yī)療電子設(shè)備的增強(qiáng)型技術(shù)突破

病人和醫(yī)護(hù)人員的安全是醫(yī)療電子設(shè)備的重中之重，然而電子設(shè)備的效率等其他因素也至關(guān)重要。安全和效率這兩個(gè)因素對(duì)DC/DC電源技術(shù)提出了相互沖突的需求。醫(yī)療級(jí)增強(qiáng)型隔離所需的更高的隔離間隙和爬電距離會(huì)導(dǎo)致變壓器的磁場(chǎng)無法達(dá)到最佳耦合，因此傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)失去寶貴的效率。RECOM工程師開發(fā)了一種可以規(guī)避這種不足的新變壓器概念。最近推出的“Re3-inforced”轉(zhuǎn)換器具有高達(dá)6W的額定功率，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器相比，可提供顯著提高的隔離電壓等級(jí)和效率。

　　對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用，工業(yè)級(jí)隔離通常就足夠了。在這些應(yīng)用中，變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組互相重疊纏繞。因此內(nèi)部磁場(chǎng)呈現(xiàn)理想的疊加狀態(tài)——這是實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率所必需的特性。然而，這種設(shè)計(jì)會(huì)降低安全性，因?yàn)閮蓚€(gè)繞組僅通過各自的漆包線漆膜進(jìn)行隔離。在理想狀況下，漆膜可以輕松地承受幾千伏的測(cè)試電壓。但是制造過程中產(chǎn)生的損壞或者由于老化引起的損壞最終會(huì)導(dǎo)致初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間發(fā)生短路。這類故障在工業(yè)電子領(lǐng)域會(huì)引發(fā)設(shè)備故障——而在醫(yī)療電子領(lǐng)域，這類故障會(huì)給病人和醫(yī)護(hù)人員帶來嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。

　　UL 60601規(guī)定“增強(qiáng)型”隔離的限制

　　在設(shè)計(jì)用于醫(yī)療應(yīng)用的設(shè)備時(shí)，開發(fā)工程師必須熟悉IEC 60601的具體規(guī)定。各個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)已和針對(duì)歐洲市場(chǎng)的EN60601或針對(duì)美國市場(chǎng)的UL60601一致。這兩個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)在范圍上類似，但是只有獲取美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)所（Underwriters Laboratories）認(rèn)證的部件才能貼上UL標(biāo)志。

　　醫(yī)療級(jí)DC/DC轉(zhuǎn)換器的基本電氣安全要求是這些轉(zhuǎn)換器的隔離屏障能通過標(biāo)準(zhǔn)和故障電壓的測(cè)試而不失效。由于大多數(shù)醫(yī)療應(yīng)用都采用干線供電，因此一般可接受的最小隔離電壓為持續(xù)的264VAC，這相當(dāng)于持續(xù)時(shí)間為一秒的1600VDC的隔離測(cè)試電壓。除能耐受隔離測(cè)試電壓之外，UL還規(guī)定了滿足各種隔離等級(jí)的最小爬電距離（走線距離）和隔離間隙（電弧距離）。圖2摘自標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)布的表。需要注意的是，該表中規(guī)定的電壓為標(biāo)準(zhǔn)情況輸入電壓，而不是最差故障情況隔離電壓。

　　隔離電壓和隔離等級(jí)的區(qū)別往往容易造成混淆。采用24VDC供電的醫(yī)療級(jí)DC/DC轉(zhuǎn)換器必須能夠耐受至少1600VDC/1秒的隔離測(cè)試電壓，但是0.5mm的隔離間隙和1mm的爬電距離已經(jīng)足夠滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。隔離等級(jí)的選擇在于用戶。

　　圖2：此表顯示UL規(guī)定的與輸入電壓對(duì)應(yīng)的隔離間隙和爬電距離值。增強(qiáng)隔離的值約比基本隔離值高三倍。
更高的隔離間隙會(huì)降低變壓器效率

　　鑒于醫(yī)療應(yīng)用需關(guān)注病人和醫(yī)護(hù)人員的安全，因此通常需要最高的隔離等級(jí)（增強(qiáng)型）。增強(qiáng)型隔離變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組具有物理隔離，并且纏繞在絕緣鐵芯對(duì)應(yīng)的半邊上。這使得變壓器能夠滿足更嚴(yán)格的內(nèi)部間隙和爬電隔離要求，但卻產(chǎn)生了一些不利的負(fù)面影響。其一是，增強(qiáng)型隔離變壓器往往尺寸更大，這與與日俱增的小型化趨勢(shì)背道而馳。由于繞組和鐵芯之間的隔離增加，電磁性能也受到了影響，這會(huì)降低功率轉(zhuǎn)換效率，影響最高工作溫度。實(shí)際的例子包括：具有緊密纏繞的繞組的工業(yè)級(jí)隔離轉(zhuǎn)換器的效率一般能達(dá)到85%，而采用傳統(tǒng)變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的增強(qiáng)型隔離的轉(zhuǎn)換器的效率僅能達(dá)到75%的水平。由于較低的效率而增加的能耗可能不是非常大，但是效率更低的變壓器會(huì)耗散60%的熱（以發(fā)熱形式失去的能量高達(dá)25%，而不是15%）。對(duì)于發(fā)熱高的變壓器，允許的最高環(huán)境溫度+85°C需降低到+70°C左右。

　　RECOM的增強(qiáng)型技術(shù)突破

　　RECOM開發(fā)部工程師成功地發(fā)明了一種線圈繞組，這種繞組可以實(shí)現(xiàn)線圈繞組接近理想的布局，同時(shí)能滿足UL對(duì)增強(qiáng)間隙和爬電規(guī)定的嚴(yán)格要求。這種經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的變壓器鐵芯和新型絕緣材料可確保更高的隔離電壓、更高的效率、更高的額定功率和更高的工作溫度。繞組電容被降低到1.5pF至20pF的范圍內(nèi)，具體取決于不同的類型。這可以保證醫(yī)療設(shè)備還要求的極低漏電流。這個(gè)新概念的名稱為“Re3-inforced”，已經(jīng)申請(qǐng)了專利。

　　如圖3所示，這些新型變壓器（右下方）仍比具有工作隔離的變壓器稍大，但是由于整流器和功率晶體管等其它元器件的尺寸小，因此這些變壓器仍能充裕地適合標(biāo)準(zhǔn)外殼尺寸。這些新型轉(zhuǎn)換器還具有永久性短路和過載保護(hù)功能，還可以選擇具有過壓保護(hù)和遠(yuǎn)程控制引腳的版本。它們具有IEC60601以及 UL60601和CSA C22.2 601-1認(rèn)證，并且公認(rèn)為具有增強(qiáng)隔離。

　　圖3：隔離電壓為10kVDC的新型REC3.5（右邊）與不適用于醫(yī)療應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)隔離版本的圖形比較。

范圍為1至6W的四種額定功率——價(jià)格極具吸引力

　　技術(shù)創(chuàng)新往往無法面面俱到——即使能夠面面俱到，成本往往會(huì)很高。而新型RECOM Re3-inforced系列是一個(gè)特例！這些新型轉(zhuǎn)換器的價(jià)格極具吸引力，因此使用這些轉(zhuǎn)換器還具有盈利價(jià)值。價(jià)格僅略高于具有標(biāo)準(zhǔn)隔離的轉(zhuǎn)換器，但是大幅低于同類競(jìng)爭性產(chǎn)品。

　　由于所有增強(qiáng)轉(zhuǎn)換器都適合傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)外殼尺寸（1W和2W轉(zhuǎn)換器采用SIP7外殼，3.5W和6W轉(zhuǎn)換器采用DIP24外殼），因此能夠輕松地升級(jí)到新技術(shù)。額定功率為1W和2W的轉(zhuǎn)換器（指定型號(hào)為RXX/PXX）具有6.4kVDC和8kVDC的隔離電壓。效率約為88%，適合-40°C 至+85°C的完整工業(yè)工作溫度范圍，僅采用自然對(duì)流散熱，無需降額使用。2W的轉(zhuǎn)換器還提供具有更大尺寸的DIP24外殼的RV系列。這便于針對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)升級(jí)到新技術(shù)。

　　兩個(gè)采用DIP24外殼的功率更高的系列具有3.5W和6W的額定功率，可以提供8kVDC或10kVDC 的隔離。這些轉(zhuǎn)換器的額定功率比標(biāo)準(zhǔn)隔離轉(zhuǎn)換器的額定功率高20%左右，效率高達(dá)86%。此外，REC 3.5的最高環(huán)境溫度高達(dá)+85°C，同樣具有對(duì)流冷卻，無需降額使用。功能更強(qiáng)的REC 6在同等條件下可提供高達(dá)+ 75°C的環(huán)境溫度。允許的最高外殼溫度為+105°C。

　　圖4：1W和2 W轉(zhuǎn)換器采用SIP 7外殼，而3.5W和6W轉(zhuǎn)換器采用標(biāo)準(zhǔn)DIP24外殼。

　　三年保證

　　RECOM 是一家歐洲公司，盡管這家公司的大多數(shù)產(chǎn)品都產(chǎn)自遠(yuǎn)東地區(qū)。開發(fā)和生產(chǎn)密切協(xié)作，并且均遵守歐洲質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)。新產(chǎn)品在開發(fā)過程中均在RECOM設(shè)于奧地利格蒙登的環(huán)境測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)過全面的測(cè)試。設(shè)計(jì)的高質(zhì)量和長工作壽命與新產(chǎn)品的電氣布局同樣重要。我們對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量和關(guān)鍵元件的測(cè)試規(guī)格實(shí)施不間斷的監(jiān)測(cè)，同時(shí)用X射線機(jī)對(duì)隨機(jī)生產(chǎn)批次進(jìn)行測(cè)試和檢查，確保符合最初的基準(zhǔn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。我們認(rèn)為要過濾出低質(zhì)量元器件，這種監(jiān)測(cè)是必不可少的（在最近元器件短缺的形勢(shì)下，我們發(fā)現(xiàn)知名品牌的元器件也有質(zhì)量問題）。借助這些檢查和控制，RECOM可以充滿自信地為這些新型轉(zhuǎn)換器提供三年保證。現(xiàn)由所有領(lǐng)先的分銷商以現(xiàn)貨提供樣片。