作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

設(shè)計一個使用交流電或電池供電的電源非常復(fù)雜。設(shè)計人員必須開發(fā)出一種解決方案，既能在不同負(fù)載下提供穩(wěn)定的電壓和電流，又能高效運(yùn)行，以最大限度降低功耗。而且當(dāng)電源用于醫(yī)療產(chǎn)品時，由于電磁兼容性 (EMC)、與病人電氣接觸的嚴(yán)格安全要求以及電磁干擾 (EMI) 保護(hù)等原因，設(shè)計會變得更加復(fù)雜。

對于從頭開始開發(fā)醫(yī)療電源的設(shè)計人員來說，要滿足這些要求可謂是費(fèi)錢又費(fèi)時。商用模塊化 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是一種替代方案，但在選擇和運(yùn)用這些解決方案時必須小心謹(jǐn)慎。

本文簡要說明了 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在電源電路中的作用，并概述了醫(yī)療應(yīng)用要求的選擇標(biāo)準(zhǔn)和特殊考慮因素。然后介紹了 [XP Power] 的實(shí)例器件，并展示了一個應(yīng)用模型。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器的作用

雖然電池有額定電壓，但輸出會受到充電狀態(tài)、峰值需求和溫度等因素的影響。一個主要特征是電壓輸出會隨著電池放電而下降。然而，集成電路和其他敏感元件需要穩(wěn)定的電壓才能正常工作。DC/DC 轉(zhuǎn)換器通過調(diào)節(jié)輸入電壓提供了一種解決方案，可為最終產(chǎn)品提供可靠、穩(wěn)定的電壓輸出。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器在市電供電型產(chǎn)品中也很常見。使用一個或多個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器時，起始 AC/DC 轉(zhuǎn)換器能將交流市電調(diào)節(jié)為直流電壓。然后，進(jìn)一步調(diào)節(jié)電壓，使之達(dá)到適合最終產(chǎn)品的水平。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是線性的，也可以是開關(guān)式的。線性穩(wěn)壓器是一種簡單而牢固的設(shè)備，但其效率會隨著輸入和輸出電壓差的增大而降低。此外，線性穩(wěn)壓器只能降壓，而不能升壓或反轉(zhuǎn)電壓。無法提升電壓會使電池的潛力得不到挖掘。

開關(guān)穩(wěn)壓器使用脈寬調(diào)制 (PWM) 開關(guān)元件，通常由一個或兩個 MOSFET 以及一個或兩個電感器和電容器組成，用于儲能和濾波。設(shè)計人員選擇開關(guān)穩(wěn)壓器的主要原因是其高效率和高功率密度。此外，這種穩(wěn)壓器還可以升壓、降壓和反相。

設(shè)計人員使用開關(guān)穩(wěn)壓器也會面臨挑戰(zhàn)，包括設(shè)計復(fù)雜性、成本以及開關(guān)元件可能產(chǎn)生的 EMI 問題。從零開始設(shè)計 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器是可能的，這種方法可以節(jié)省一些成本和空間，但比較復(fù)雜且耗時。另一種方法是從各種商用模塊（如 XP Power 的 [JMR]系列）中選擇，這些模塊將開關(guān)穩(wěn)壓器的主要元件集成到單個器件中，結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠，而且易于設(shè)計導(dǎo)入產(chǎn)品（圖 1）。

圖 1：諸如 JMR 系列之類模塊化設(shè)備會將 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器的主要元件集成到單個器件中，結(jié)構(gòu)緊湊，性能可靠，易于設(shè)計。（圖片來源：XP Power）

選擇 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

選擇 DC/DC 轉(zhuǎn)換器時需要考慮很多因素。有些是顯而易見的，例如，應(yīng)用將確定輸入和輸出電壓以及輸入和輸出電流。另一些則較為微妙。例如，最大限度地提高效率需要考慮最終產(chǎn)品的典型負(fù)載情況。此外，設(shè)計人員還應(yīng)檢查入選 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的規(guī)格書效率曲線，以確保最終產(chǎn)品通常能在轉(zhuǎn)換器的效率最佳點(diǎn)上運(yùn)行。

XP Power 的 [JMR1024S05]就是醫(yī)療應(yīng)用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的典例。該轉(zhuǎn)換器是一種超緊湊的印刷電路板（PC 板）安裝式醫(yī)療器件，尺寸為 20.3 x 31.8 x 10.2 毫米 (mm)，通孔引線為 3 mm。其輸出電壓為 5 V，標(biāo)稱輸入電壓為 24 V（最低 9 V，最高 36 V）。該模塊的最大輸出電流為 2 安培 (A) ，滿載輸入電流為 491 毫安 (mA)。輸出紋波電壓的峰峰值 (pk-pk)為 75 毫伏 (mV)，效率為 84.9%。

該模塊的空載功耗低至 6 mA，從而提高了效率，降低了功耗。通過遠(yuǎn)程抑制模塊，可進(jìn)一步節(jié)省 3 mA 的空載功耗（圖 2）。如果引腳 1 為開路，則模塊處于導(dǎo)通狀態(tài)；如果引腳 1 連接到 2 mA 至 4 mA 的電流源，或者引腳 1 相對于引腳 2 施加了 2.2 V 至 12 V 的電壓，則模塊處于斷開狀態(tài)。

圖 2：通過遠(yuǎn)程抑制模塊，可將 JMR1024S05 的空載功耗降至 3 mA。（圖片來源：XP Power）

XP Power 在其 10 瓦產(chǎn)品線中提供了替代產(chǎn)品。例如，[JMR1048S12]的標(biāo)稱輸入電壓為 48 V（18 V 至 75 V），輸出電壓為 12 V，最大輸出電流為 833 mA。滿載輸入電流為 237 mA，在此條件下工作時，效率為 88%。

[JMR1012D15]的標(biāo)稱輸入電壓為 12 V（4.5 V 至 18 V），輸出電壓為 ±15 V，最大電流為 333 mA。滿載輸入電流為 957 mA，在此條件下工作時，效率為 87%。

JMR 10 瓦系列的開關(guān)頻率為 300 千赫 (kHz)。

醫(yī)療應(yīng)用的特殊要求

醫(yī)療產(chǎn)品對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的要求更高，因?yàn)榻K端產(chǎn)品中使用的電氣元件必須符合嚴(yán)格的 IEC 60601-1 醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù) IEC 60601-1，“觸身部件”是指醫(yī)療設(shè)備中與患者身體直接接觸的元件，或在產(chǎn)品正常使用過程中可能與患者接觸的部件。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)與患者接觸的類型和醫(yī)療設(shè)備的性質(zhì)來定義觸身部件。

B 型分類適用于一般不導(dǎo)電并可接地的觸身部件。BF 型（身體浮動）適用于與患者電氣連接且必須浮動并與接地隔離的的觸身部件。BF 型不包括與心臟直接接觸的觸身部件。CF 型（心臟浮動）分類適用于直接連接心臟的觸身部件。CF 型觸身部件必須是浮動的，并與接地分離。

與患者連接的醫(yī)療設(shè)備必須提供保護(hù)措施 (MOP)，以防止觸身部件（和其他可接觸部件）超過電壓、電流或能量限制。符合要求的保護(hù)接地連接要提供 1 x MOP（一重保護(hù)措施），基本隔離也要提供 1 x MOP，加強(qiáng)絕緣則要提供 2 x MOP（雙重保護(hù)措施）。

MOP 可進(jìn)一步分為操作員保護(hù)措施 (MOOP) 和病人保護(hù)措施 (MOPP)。在用于連接病人的設(shè)備中，需要 2 x MOPP。

用于 BF 和 CF 型醫(yī)療設(shè)備的電源從初級側(cè)到次級側(cè)必須提供 2 x MOPP 并從初級到接地提供 1 x MOPP。對于最高額定級輸入交流線路電壓，電源的任何次級輸出到接地必須采取 1 x MOPP 級的額外安全隔離。表 1 顯示了 MOOP 和 MOPP 應(yīng)用中基本 (1 x MOP) 和加強(qiáng) (2 x MOP) 絕緣適用的空氣間隙、爬電距離和測試電壓。

表 1 顯示了 MOOP 和 MOPP 應(yīng)用中基本 (1 x MOP) 和加強(qiáng) (2 x MOP) 絕緣適用的空氣間隙、爬電距離和測試電壓。（表格來源：XP Power）

除了用于 MOOP 和 MOPP 應(yīng)用的 MOP 外，醫(yī)療設(shè)備電源的設(shè)計還必須限制接觸電流、患者輔助電流和患者漏電電流。在正常情況下，接觸電流的最大允許值為 100 微安 (μA)，在單故障情況下為 500 微安 (SFC)。這一要求有效地將正常運(yùn)行時的系統(tǒng)接地漏電電流限制在 500 μA。

對接觸電流、患者輔助電流和患者漏電電流的要求是設(shè)計人員面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。他們必須確保電源提供所需的安全隔離，同時在正常運(yùn)行時盡量減少漏電電流，并在故障情況下要將病人進(jìn)行接地隔離來提供保護(hù)。

最后，醫(yī)療設(shè)備必須符合 IEC 60601-1-2 中所列的 EMC 要求。這些要求旨在提高設(shè)備的抗干擾能力，避免許多無線通信設(shè)備靠近生命攸關(guān)的設(shè)備而造成問題。這些要求的次要目的是為醫(yī)院外使用的設(shè)備提供電磁兼容性指導(dǎo)，因?yàn)獒t(yī)院外的電磁兼容環(huán)境往往較難控制。

使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器作為第二隔離級

通過仔細(xì)選擇 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來引入第二隔離級，可以減輕特殊醫(yī)療要求對設(shè)計帶來的挑戰(zhàn)。增加這一級可實(shí)現(xiàn)交流線路電壓的基本隔離。它還最大限度地減少了輸入到輸出的電容（約為 20 至 50 皮法 (pF)），這反過來又將潛在的病人漏電電流減少到幾個微安（圖 3）。

圖 3：經(jīng)認(rèn)可的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（右）可用于對觸身部件進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，同時為 1 x MOPP 提供次級隔離，并最大限度地降低潛在的患者漏電電流。（圖片來源：XP Power）

例如，上述 XP Power JMR 系列 10 瓦 DC/DC 轉(zhuǎn)換器具有 IEC60601-1 醫(yī)療安全機(jī)構(gòu)認(rèn)證、2 x MOPP 5 千伏 (kV) 交流增強(qiáng)隔離、17 pF 隔離電容和 2 μA 病人漏電電流，可輕松集成到各種 BF 和 CF 醫(yī)療應(yīng)用中。

為了使最終產(chǎn)品符合 IEC 60601-1-2 的要求，可在醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)和控制裝置與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器之間的電路中加入 EMC 濾波，這不會影響隔離或低漏電電流。圖 4 顯示了針對浪涌和電氣快速瞬態(tài) (EFT) 以及 EMI B 類要求的推薦 EMC 濾波電路。

圖 4：所示為與 JMR10 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器一起使用的針對浪涌、EFT 和 EMI B 類要求推薦的 EMC 濾波電路。（圖片來源：XP Power）

表 2 列出了使用輸入電壓為 12 V、24 V 和 48 V 的 JMR10 系列器件時，這些電路的推薦元件參數(shù)值。

表 2：圖 4 所示電路的推薦元件參數(shù)值。（表格來源：XP Power）

結(jié)語

模塊化和高集成度 DC/DC 轉(zhuǎn)換器簡化了可靠、高性能醫(yī)療系統(tǒng)電源的設(shè)計。但是選擇時設(shè)計人員必須小心從事，應(yīng)選擇通過 IEC 60601-1 認(rèn)證的設(shè)備，確保其符合該標(biāo)準(zhǔn)對操作員和患者安全以及 EMC 的要求。

審核編輯 黃宇