AC-DC醫(yī)療電源的選用標(biāo)準(zhǔn)與典型應(yīng)用方案

醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)業(yè)是關(guān)系到人類生命健康的新興產(chǎn)業(yè)，近十余年來，在世界發(fā)達(dá)國(guó)家一直保持著很高的市場(chǎng)年增長(zhǎng)率，因而被譽(yù)為朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。隨著醫(yī)療水平的提高，越來越多先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備廣泛運(yùn)用在了各種醫(yī)療場(chǎng)合。電源作為醫(yī)療設(shè)備的重要組成部分，它相對(duì)于其他種類的電源產(chǎn)品有更為嚴(yán)苛的要求。本文重點(diǎn)介紹醫(yī)療用電源的特殊要求以及金升陽(yáng)公司高品質(zhì)醫(yī)療用AC-DC產(chǎn)品的技術(shù)特性。

醫(yī)療電源的特殊要求

目前，醫(yī)療設(shè)備大多采用開關(guān)電源。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源不僅體積大大縮小，重量減輕，而且能耗大幅降低，并提高了可靠性。使用交流供電的醫(yī)療診斷、測(cè)量和治療設(shè)備，可能會(huì)由于不合適的接地和電絕緣產(chǎn)生漏電流，而使患者以及醫(yī)療人員暴露在電擊、燒傷、內(nèi)臟器官損傷和心律不齊等潛在危險(xiǎn)之中。

鑒于醫(yī)療設(shè)備的特殊使用環(huán)境，醫(yī)療電源產(chǎn)品在安全性和可靠性方面有著更為嚴(yán)苛的要求。例如，必須滿足IEC60601-1安規(guī)的絕緣和漏電流要求，或其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，諸如：EN60601-1、UL60601-1和CSA22.2第601.1 M90標(biāo)準(zhǔn)。表1總結(jié)了IEC 60601-1醫(yī)療設(shè)備的安規(guī)要求。

表1 IEC60601-1安全標(biāo)準(zhǔn)要求

另一方面，醫(yī)療設(shè)備的電磁輻射和電磁輻射防護(hù)是醫(yī)用電源的一個(gè)重要參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，涉及到電涌和瞬變電流強(qiáng)度、靜電放電(ESD)電平，以及射頻干擾(RFI)防護(hù)能力。許多醫(yī)療應(yīng)用都涉及RF治療儀或無創(chuàng)電子手術(shù)器械，因此電源必須能抵御干擾，不受影響。

合格的醫(yī)療電源應(yīng)符合與EMC相關(guān)技術(shù)要求相配合的EN60601-1-2標(biāo)準(zhǔn)。不僅如此，醫(yī)用電源還必須滿足IEC61000-4-2(靜電防護(hù)能力，要求達(dá)到3kV)、IEC61000-4-3 (射頻輻射防護(hù)能力，要求達(dá)到3V/m)、IEC61000-4-4 EFT(電壓瞬變承受能力，要求達(dá)到1kV)、IEC61000-4-5(市電涌流承受能力，要求達(dá)到1kV和2kV)、IEC61000-3-2 (市電線路諧波要求)、IEC61000-3-3(電力線閃變要求)，以及EN55011(A類產(chǎn)品或B產(chǎn)品輻射限制)等要求。

此外，涉及到特定應(yīng)用場(chǎng)合還有一些特殊要求，例如，系統(tǒng)可能要在急救車上使用，可能會(huì)出現(xiàn)電壓沖擊情況，這種電源至少應(yīng)符合IEC 68-2-29標(biāo)準(zhǔn)；有些設(shè)備是便攜設(shè)備，可能在直升機(jī)上使用，因而會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)性振動(dòng)，此種電源應(yīng)符合MIL-STD-810E標(biāo)準(zhǔn)。

金升陽(yáng)LD系列產(chǎn)品特性

金升陽(yáng)公司致力于醫(yī)療用AC-DC電源的開發(fā)，目前擁有LD05,LD10系列產(chǎn)品，產(chǎn)品的原理框圖如圖1所示。產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中始終以高的可靠性為目標(biāo)，在設(shè)計(jì)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都體現(xiàn)了這一點(diǎn)。

圖1 LD系列產(chǎn)品原理框圖

首先，產(chǎn)品控制芯片的可靠性對(duì)產(chǎn)品可靠性起著至關(guān)重要的作用。我們的產(chǎn)品選用安森美半導(dǎo)體公司的PWM控制芯片，由于芯片功能十分強(qiáng)大，只需要外接少數(shù)元件就能構(gòu)成完整的開關(guān)電源，因此大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，從某種意義上講也大大提高了產(chǎn)品的可靠性。另外，芯片的待機(jī)功耗很低，能夠提供符合美國(guó)能源之星和歐洲藍(lán)天使標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，空載狀態(tài)下同時(shí)能達(dá)到國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）最新建議的要求。芯片的短路保護(hù)功能還能通過持續(xù)監(jiān)視反饋線的狀況，檢測(cè)到出現(xiàn)短路的情況，并立即減小輸出功率，從而對(duì)整個(gè)電源及后級(jí)電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)。一旦短路情況消失，控制器便恢復(fù)正常工作。這一功能也極大提高了產(chǎn)品在異常條件下的可靠性。

其次，在模塊電源的熱設(shè)計(jì)方面我們也做了很多有益的研究。MTBF是電源可靠性的計(jì)量指標(biāo),而影響MTBF的最重要因素是部件的溫度。因此要提高電源的可靠性，如何保持較低溫度至關(guān)重要。模擬的方法有助于把一些抽象變得比較直觀，因此我們引進(jìn)了電熱模型。所謂電熱模擬就是用導(dǎo)熱電回路來模擬電子器件的散熱回路，用電參數(shù)模擬熱量的傳遞。具體地講，即用電路中的電流來模擬熱路中的熱量（計(jì)算中，常用半導(dǎo)體器件的耗散功率PD來代替熱量Q），用電流的流動(dòng)來表示熱流的傳遞。電壓U相當(dāng)于器件溫度到環(huán)境溫度之溫差△T，電阻R相當(dāng)于熱阻Rth。當(dāng)然，除了模擬的熱能傳遞，在設(shè)計(jì)及驗(yàn)證過程中，大量的高低溫可靠性試驗(yàn)也用來驗(yàn)證、完善產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)。

第三，對(duì)產(chǎn)品EMC特性的嚴(yán)格要求,保障自身及系統(tǒng)可靠工作。人們對(duì)電子產(chǎn)品的EMC越來越關(guān)注，世界各國(guó)和組織對(duì)電子產(chǎn)品的相關(guān)限制也做出了相應(yīng)規(guī)定。比較典型的標(biāo)準(zhǔn)包括：美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC) 規(guī)則及條例第15部分；國(guó)際電工委員會(huì)中TC77的IEC61000部分；國(guó)際無線電干擾特別委員會(huì)(CISPR)的CISPR22（信息技術(shù)設(shè)備）；歐盟的EN55022（信息技術(shù)設(shè)備）；中國(guó)的 GB9254-1998（信息技術(shù)設(shè)備）是從CISPR的CISPR22轉(zhuǎn)換而來的。

通常，形成電磁干擾的條件有三個(gè)：向外發(fā)送電磁干擾的源（噪聲源）、傳遞電磁干擾的途徑（噪聲耦合和輻射）、承受電磁干擾的客體（受擾設(shè)備）。因此，抑制電源產(chǎn)品的電磁干擾也要從這三個(gè)方面著手。采用以下幾個(gè)手段來解決產(chǎn)品的EMC問題：1. EMI濾波器的選擇選用；2. 輸入與輸出濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的優(yōu)化；3. 緩沖電路的應(yīng)用；4. 盡量縮小高頻環(huán)路面積；5. 優(yōu)化地線設(shè)計(jì)；6. 屏蔽的應(yīng)用。

除了在設(shè)計(jì)中保證的高可靠性，LD系列模塊電源產(chǎn)品還具有以下特點(diǎn)：

體積小、功率密度高。金升陽(yáng)的LD系列電源體積很小，其中：LD05系列電源的輸出額定功率為5W，全球通用電壓輸入，體積為50.08*25.4*15.16mm。LD10系列電源的輸出額定功率為10W，全球通用電壓輸入，體積為53*28*19mm，如圖2所示。這類小體積電源，為小型醫(yī)療設(shè)備節(jié)省了大量的元器件空間，因而為設(shè)備的小型化提供了可能。

圖2 LD10系列產(chǎn)品外形尺寸

安全性能好。該系產(chǎn)品嚴(yán)格按醫(yī)療電源的要求設(shè)計(jì)。在安規(guī)設(shè)計(jì)上，輸入和輸出之間的距離均達(dá)到8mm以上，輸入和輸出之間耐壓達(dá)到4000VAC/1min。輸入對(duì)輸出的漏電流也很小，其中LD05系列內(nèi)部無安規(guī)電容設(shè)計(jì)，使得漏電流幾乎為零；LD10系列也僅為100μA以下。LD05、LD10系列電源已通過EN60601醫(yī)療認(rèn)證(證書號(hào)分別是：

E/CE2995090218023、E/CE3180090723209)和UL60950的安全認(rèn)證（證書號(hào)分別是：E235235-A17-UL-1和E235235-A18-UL-1）。

EMC性能好。產(chǎn)品通過了中國(guó)第五電子研究所賽寶實(shí)驗(yàn)室的全面EMC測(cè)試并取得證書。詳見表2。

表2 產(chǎn)品EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果

完善的應(yīng)用指南。為使客戶更好地使用產(chǎn)品，LD系列產(chǎn)品都提供詳盡的典型應(yīng)用電路，如圖3所示（具體參數(shù)可參加產(chǎn)品技術(shù)手冊(cè)）。客戶可以根據(jù)自身的使用需求來選擇合適的應(yīng)用電路。

圖3 典型應(yīng)用電路