医用激光和IPL设备设计者面临的电源设计挑战以及有助于解决这些挑战的新技术

作者：Dermot Flynn，Advanced Energy Industries, Inc.医疗先进能源产业战略营销总监
根据Straits Research的一份报告，2021年，医用激光器和能源设备的市场价值为44.6亿美元，预计到2030年将超过100亿美元，增幅超过10%。
激光技术的发展创造了新的基于激光的治疗方法，如血管病变的表面修复和再生。然而，激光治疗不仅仅是美容，因为它们被用于肿瘤学、心脏病学、眼科和妇科等领域的医疗程序，以避免侵入性手术的需要。在许多情况下，这也会使患者更快、更方便地接受治疗，恢复时间最短。
 

图1：多功能激光/IPL系统具有复杂的功率需求

虽然该行业的设备有一个共同的特点——依赖激光来提供好处——但有几种不同类型的系统在使用。手术激光器往往是用于眼科手术和普通外科手术的大型固定机器。多功能机器通常是便携式的，能够进行多种类型的美容治疗，包括激光、IPL、RF和热疗。最后一种类型是“简单激光”——这是一种具有高功率激光的专用系统，用于特定应用，例如去除多余的头发。

医用激光和IPL系统
医疗激光领域发生了重大变化。随着这种处理方式的日益普及，越来越多的多功能机器进入市场。这些非常适合小型诊所和移动使用，因为它们允许在一台机器上提供多种治疗。由于这些系统在使用时通常靠近患者（和操作员），可听见的噪音受到越来越多的关注，因此通常不首选风扇等主动冷却措施。
一个典型的多用途美观激光系统将由除激光本身之外的几个子系统组成，包括HMI、泵、控制板、热管理和医疗应用器。由于各种系统元件，通常需要相对复杂的电源解决方案来为每个模块提供各种导轨。
一种常见的方法是使用可配置的电源，由每个轨道的适当输出模块提供大量独立输出。这种方法受到设计师的青睐，因为具有不同组件的两个不同系统可以在整个产品系列中使用相同的可配置机箱，从而简化了设计。此外，如果客户希望升级现有设备，可以在现场修改可配置的电源。
在这些系统中，对电容器充电器有单独的要求，为IPL和激光器提供能量爆发的电容器充电。由于这不是可配置电源的一部分，传统上使用单独的单元。
虽然这种双模块方法有效，但它确实给设计者带来了许多挑战。首先，由于有两个独立的主电源驱动电源（PSU），因此有两个泄漏电流源，以及两个安全关键部件。此外，每个PSU都会产生自己的辐射和传导RFI，这些RFI可以组合在一起，这会带来设计挑战，并使遵守越来越严格的医疗批准变得更加困难。
使用单个模块为激光和IPL的电容器充电可提供次优性能。由于激光器通常需要比IPL更高的充电电压，并且电容器充电器以恒定电流工作，因此输送到用于IPL的电容器的功率更少。虽然这不会影响操作，但它确实延长了充电时间，这反过来意味着任何治疗程序都需要更长的时间。显然，从时间的角度来看，诊所进行治疗的速度越快，给患者带来的不便就越少。此外，这些节省的时间使诊所能够治疗更多的患者。

多用途激光系统的理想功率解决方案
使用单个PSU为子系统提供所有较低的电压以及为电容器充电将减小尺寸和重量。它还将减少系统中使用多个电源PSU可能导致的泄漏电流和潜在的EMI问题及相互作用。一种有益的方法类似于可配置PSU，其中输出模块易于互换；这使得现场升级和维修变得容易，也推动了一系列激光系统的高度通用性，简化了设计过程。
单个PSU方法需要较低电压轨的恒定电压，电容器充电器的恒定电流。然而，由于IPL和激光的电压要求不同，这导致所有治疗的可用功率利用率较低。
显然，小尺寸和低重量是可取的。这意味着产生的废热更少，效率更高，这意味着设计可以更密集，并且需要更少的热管理技术。可靠性至关重要，因为考虑到终端系统的成本，许多较小的诊所可能只有一个可用的，故障的影响可能很大。
在医疗领域，认证比许多其他行业更重要。当患者或操作员与设备直接接触时，情况尤其如此。从安全角度来看，PSU将是发生故障时危险电源电压与操作员/患者之间的主要隔离装置。因此，需要适当的医疗安全而在，而EMI等其他认证是非常可取的，以确保正确的操作。

医用激光器的PSU技术
虽然高压（HV）PSU可以直接由电源驱动，但另一种方法是使用DC-DC模块。这减少了空间，因为模块本身不需要隔离边界，而是依赖于前端PSU中经医学认证的隔离。
AE的UltraVolt系列DC-DC精密高压放大器（HVA）就是这样一种PSU，它使用精密滤波器/分压器和线性高压开关来提供高分辨率的高压直流电。该系列包括单极和双极单元，可提供0至10 kV的可调输出，以及固定的15 kV（仅双极）和20 kV。
模块针对偏置应用进行了优化，同时提供PPM级线路和负载调节、高动态响应和稳定性，包括25 PPM的温度系数。这些产品已被部署在许多医疗应用中，包括最近的一种新型飞秒眼科激光手术系统。
该系统的开发是为了在不附带损害眼睛其他部位的情况下进行精确的手术，并且需要一个快速反转的6kV PSU，该PSU也能够控制CO2激光器内的外部Pockels电池。由于任何中途停机都将是灾难性的，因此需要对激光器进行严格控制并具有非凡的可靠性。
 

 
图2：AE的UltraVolt系列满足了飞秒眼科激光手术的挑战性需求

为此应用选择了UltraVolt 6HVA24-P1，为系统的外部能量调制器供电，并满足所有要求。

集成电源和电容器充电解决方案
AE的新款Excelsys FlexiCharge FC1500专门用于解决激光/IPL系统的复杂需求。它集成了一个电容器充电器和一个模块化/可配置的800W辅助电源解决方案，共享一个公共前端，从而消除了双漏电流和EMI相互作用等问题。这不仅节省了传统两单元解决方案所需的约30%的空间，而且还大大简化了安全认证，因为现在只有一个关键组件——FlexiCharge PSU，它具有所需的安全认证（IEC60601-1-2 4th Ed.（EMC））。


图3：AE的FlexiCharge为低压电源和电容器充电提供了独特的一体式解决方案

可编程电源限制意味着该单元可以充分利用最大可用壁电流，而PMBus智能控制允许只设置一次关键操作参数并对其进行永久监控，从而简化配置和操作。
电流控制系统能够在大电容（>6000µF）和低电容（>180µF）负载下运行。脉冲间可重复性极佳（±0.2%），电源可以在任何>200 V的电压下连续工作。
然而，最重要的创新是引入了恒功率控制，取代了其他类似机组的恒流控制。在恒流电容器充电器中，由于IPL需要较低的电压，它接收的功率较小，这意味着充电时间没有可能的那么快。
FlexiCharge单元通过对每个脉冲应用自适应控制，实现精确的恒定功率控制。这一重要创新确保了IPL也可以获得最大可用功率，并且IPL的充电时间现在可以比那些充电到激光器所需的更高电压的充电时间更快。


图4：恒定功率控制是一项重大创新，在治疗时间上具有实际效益

此外，提供电流感测信号以允许监测系统电容器上的应力。它还允许计算功率，以便可以正确确定系统内的MCB的大小，这两种方法都提高了系统的可靠性。
www.advancedenergy.com/