AC-DC电源是医疗应用中的关键考虑因素，并且有越来越多的产品可供选择，它使系统认证更容易
作者：Gary Bocock，XP Power
 
许多医疗产品在正常使用过程中可能与患者或操作者接触，或者可能需要将传感器或设备直接应用于患者以执行其功能。这些“应用部件”必须与任何电源和接地适当隔离，以防止电流流动和对患者造成伤害。
“应用部件”和“医疗器械”的定义见2005年出版的第3版医学标准IEC 60601-1。该标准已在世界各地采用，例如欧盟采用EN 60601-1:2006/A1:2013/A12:2014，美国采用ANSI/AAMI ES60601-1:A1:2012、C1:2009/（R）2012和A2:2010/（R）2012。
本标准定义了三类应用部件，其风险等级不断增加：
B类（主体）：通常不导电且可接地的应用部件。
BF型（浮体）：与患者电气连接的应用部件，必须浮动并与地面分离。该分类不包括与心脏直接接触的应用部位。
CF型（心脏起搏）：适用于直接心脏连接的应用部件。这意味着与患者心脏的连接，包括透析期间的静脉连接。这些应用部件必须浮动并与地面分离。


MOOP和MOOP
通过限制危险电压、电流和能量的保护装置（MOP），防止应用部件对患者造成电击。例如，与保护接地或“基本”绝缘层的适当连接提供1个MOP，加强绝缘层提供2个MOP。根据环境，定义了操作员保护方式（MOOP）或患者保护方式（MOPP）。
对于BF或CF连接，交流一次电源到二次电源需要2 x MOPP，一次电源到接地需要1 x MOPP，另外输出到接地需要1 x MOPP。表1显示了在250VAC的“系统电压”以及所需的测试电压下实现这一点所需的爬电和间隙。
 

表1：MOOP和MOPP的爬电、间隙和试验电压
 
必须限制泄漏电流
还必须限制接触电流、患者辅助电流和泄漏电流。正常情况下接触电流不得超过100µA，在单一故障条件（SFC）下500µA，在正常情况下有效地限制泄漏电流也为500µA。表2总结了限值。
 

表2：患者辅助和泄漏电流限值
 
电磁兼容性（EMC）
医疗设备还必须符合IEC 60601-1-2的EMC要求（目前为第4版）。这一最新版本扩大了抗扰度测试的范围，并严格限制了抗扰度测试的范围，包括可能接近生命关键设备的无线通信设备。设备包括手机和其他设备，其中包括蓝牙、Wi-Fi、Tetra、RFID或寻呼功能。第4版还包括风险分析的要求，认识到医疗设备可能在各种环境下运行，包括专业医疗保健、家庭和不受控制的“特殊”区域，如紧急情况下的救护车。设备制造商必须考虑这些可能性，指定需要什么样的基本产品操作，并在适当的抗扰度水平上减轻影响。
 
电源选项
在BF- & CF-等级的医疗设备中，电源系统是满足隔离、泄漏电流和EMC要求的关键因素。在家庭医疗环境中，需要二级或“无地”设备，因此与地隔离无关。但是，在遵守EMC标准的同时，还必须满足外壳和患者泄漏电流的限制，这在功率高于300W、没有接地机箱的情况下可能很困难。
“医学认可的”电源通常可用，但由于隔离电容过大，大多数电源没有1 x MOPP输出对地隔离或足够低的BF/CF应用患者泄漏电流。为了简单且低成本地解决这个问题，可以在电源输出上使用医学隔离DC-DC转换器，以便仅为患者连接电路提供功率，这通常是低功率的（图1）。DC-DC具有极低的耦合电容，可用于系统中的µA总泄漏范围和1 x或2 x MOPP隔离等级。1或2 MOPP的选择取决于设备可能的外部信号输入/输出连接及其对危险电压或接地（已知或未知）的隔离额定值。例如诊断端口或以太网连接。
 

图1：带有二次DC-DC的医疗电源系统
 
合适的经医学认证的DC-DC转换器的范围在1W以上的功率水平下可用（图2）。完全调节的部件可以适合电池供电的设备，这些设备可能连接了充电器或包括信号接口，需要MOP，或者如果已经有了调节轨，固定输入DC-DC转换器的成本最低。
 
 

图2：XP Power 1瓦到20瓦经医学认证的DC-DC转换器
 
多输出解决方案
如果在一个系统中使用多个AC-DC电源来提供多个电源轨，即使认证为最高医疗级别，它们的接触电流和泄漏电流也会增加，总电流可能超过允许的限制。在低功率下，同样的解决方案是使用一个更大的AC-DC和多个连接的医学认证的DC-DC转换器，具有超低耦合电容。如果这种方法对电源要求太高，AC-DC可采用开放式框架或U通道格式，具有多个输出，满足漏电和接触电流限制，最高可达300W左右。在更高的功率下，可以考虑使用经医学认证的模块化AC-DC电源，如XP Power的fleXPower系列（图3）。
 
 

图3：XP Power fleXPower系列最多可提供20个输出，最大功率为2500瓦
 
医用电机驱动应用
在病人连接应用中需要更高功率的地方，例如在医院病床或外科工具和剃须刀的驱动电机，由于经认证的大功率DC-DC 的可用性有限，以及串联转换器不可避免的系统效率损失，在较低等级的AC-DC电源中添加隔离DC-DC转换器不是一种切实可行的方法。较好的解决方案是满足标准要求的AC-DC。这种电源的设计是一个挑战，与要求低泄漏电流和低电磁干扰冲突，但低噪声拓扑可以选择尽量减少电磁干扰源。实现从输出到接地的间距和所需的隔离电压额定值也可能是困难的，尤其是当输出参考组件（如功率二极管）具有接地散热器时。
在这些较高的功率水平下，使用类别通常为BF，较轻的患者泄漏电流额定值为100µA，而不是10µA的CF类别。BF额定电源越来越普遍，例如XP Power的CMP250系列，额定功率为250W，符合IEC 60601-1-2第4版EMI要求（图4）。该产品有一个额外的好处，只需要全功率额定值对流冷却，避免了噪音风扇。该产品还特别适用于电机驱动应用，具有过载恒流特性和一分钟高达200%的峰值额定功率。
 


图4：XP Power CMP250系列：250瓦对流冷却，具有医疗（BF）认证
 
与患者连接的医疗设备是电源系统设计师在遵守医疗安全和EMC标准时面临的一个挑战。但是，也可以选择使用完全兼容的电源或AC-DC和DC-DC转换器的组合，这可以最大限度地降低系统认证和单位成本，并提供低风险、快速上市的解决方案。
 
www.xppower.com/