使用DC/DC转换器为连接患者的医疗设备供电
2019-6-12
专业和家庭医疗保健是一个快速发展的市场，从生命体征指示设备到无线充电植入物，越来越多与患者接触的医疗设备被广泛使用。无论是电池供电还是交流供电，每个连接的设备都需要直流电源，而低功率的模块化DC/DC转换器通常用作安全隔离系统的一部分。本文介绍了DC/DC转换器在这一领域的应用，解释了所需的相关安全认证，并且推出专为该应用设计的商用转换器系列。
在专业和家庭医疗保健中，有越来越多的医疗设备直接接触到人体以测量各项健康指标，包括体表参数，例如皮肤电阻率、体温和血氧饱和度水平，以及使用心电图（ECG）设备监测心跳（图1）。
图1：ECG监护仪的典型传感器电路
有时，例如在手术中，需要把传感器放置在体内。大多数传感器都是电子设备，因此它们在设计上需要确保足够低的电压和电流，以避免对患者造成电击伤害。还有一项要求，即传感器绝不提供一条回路，使得故障设备中破坏性的电流通过患者回流至传感器。这意味着传感器及其电源不仅必须与危险高压充分隔离，还必须与“地”隔离。即使是电池供电的手持设备也可能会通过连接的打印机、USB端口或笔记本电脑接地。
在医疗电子产品中，相关的安全标准是“医疗电气设备”IEC 60601-1以及各国家标准：例如欧洲的EN 60601-1和美国的ANSI/AAMI ES 60601-1。在标准中，“隔离”具有非常特殊的涵义，即需要在危险电压或高能量来源与患者之间进行有效的双重电气隔离。因此医疗设备必须具有双重“保护措施”（MOPs），以防其中一项失败，另一项仍可以提供足够的保护。MOP要求有两个级别：操作者的MOOP和更高级别的患者MOPP。
在绝缘隔离条件下，为了给传感器供电或读取数据，具有增强型绝缘结构的微型安全变压器或光耦合器是一种实用的解决方案。这些方式提供高耐压隔离，但在隔离两端仍有耦合电容，存在漏电流，因此必须尽可能的降低耦合电容。
如果传感器电源来自AC/DC转换器，则安全的隔离输出是所有电源的标准配置。但是，商用或IT用AC/DC的隔离等级不足以满足医疗标准。许多设备只有一项保护措施，并且隔离耦合电容通常太高而无法满足低漏电流的要求。此外，输出可能是“浮动的”，但是与“地”的隔离并不充分。一些“医疗级”AC/DC具有操作者保护措施（MOOP），但由于输入/输出和输出/接地的隔离不足，而且AC/DC隔离耦合电容也不够低，所以不适合直接与患者连接。虽然也有具备双重患者保护（2MOPP）的AC/DC可以使用，但功率范围有限而且价格昂贵。多通道传感器通常需要多个相互隔离的电源轨，但可以肯定的是，只有完全定制的2MOPP AC/DC才会具备全部所需的电源轨。
DC/DC可以构成隔离系统的一部分
一种解决方案是使用标准的2MOOP医疗级隔离的AC/DC转换器，然后以一个或多个医疗级DC/DC转换器来为传感器增加另一级的隔离。这些转换器提供所需的传感器电压轨，如果它们具有高隔离和低耦合电容就可以进一步成为隔离系统的一部分，来满足最严格的“心脏漂浮”（CF）类设备的应用。图2显示了具有接地外壳或 “Class I” 电气配置系统的典型连接
图2：使用DC/DC转换器满足医疗级 CF应用
在图2的示例中，即使AC/DC具有2MOOP，DC/DC转换器也需要2MOPP，因为有未指定的设备（SIP/SOP）连接到DC/DC输入端，这可能在故障的情况下产生危险电压。如果设备是“Class II”电气设备，即没有接地连接，并使用未指定外部连接的塑料外壳，但如果AC/DC至少具有2MOOP的隔离，那么DC/DC转换器可以只需要1MOPP等级的隔离（D），用于直接与患者连接的应用。DC/DC通常只需提供低功率电源，不仅体积小成本也低。
DC/DC转换器的典型应用如图3所示。这里使用一个仪表放大器作为ECG传感器，为分析提供数字数据。另一个DC/DC为驱动器供电，驱动器为患者进行某种刺激，并且与传感器隔离。数据则用光偶进行隔离。仪表放大器通常需要+/-5V的电压，驱动器则需要+12V的电压。由稳压系统电压供电的两个2W板载DC/DC转换器提供隔离的电压轨。由于是稳压输入且负载恒定，因此DC/DC可以是简单、低成本的 “非稳压” 转换器，只需百分之几的负载调节率，即可获得足够的性能。
图3：DC/DC转换器为传感器和驱动器提供隔离的电源轨
DC/DC转换器可以为其他测量或刺激通道提供更多隔离的电源轨。DC/DC转换器的小尺寸和设计使其具有极低的耦合电容，因此漏电流极小。
DC/DC转换器会产生噪声
所有高效率的DC/DC转换器都是“开关式”电源，因此会产生传导和辐射电磁噪声。在实际电路中，这种噪声会干扰其他测量，特别是当信号在mV范围内的时候，例如ECG设备中。医疗标准60601-1-2也对噪声有所限制，因此必须尽可能抑制DC/DC内部的噪声水平，或进行外部滤波。不过，外部滤波器通常必须桥接隔离栅以减小由于漏电流导致的 “共模” 噪声。由此可见，应该首选固有噪声水平较低的DC/DC转换器。
如图2所示，具有2MOPP隔离等级的DC/DC转换器需要满足设备“系统”电压标准中规定的爬电距离和电气间隙。实际上，如果部件可以在海拔2000米以上的地方使用，对于240VAC供电系统来说，爬电距离和电气间隙需要大于8mm。连接的医疗设备必须很小，因此低功率DC/DC的电路板通常只有几平方厘米的空间。这意味着隔离变压器是一个复杂的设计，必须使用三层增强绝缘线，并增加绝缘和环氧树脂封装以降低局部环境的“污染度”。因此要实现分立式DC/DC的解决方案并不容易，而且在许多应用中都需要采购昂贵的定制变压器。
模块化DC/DC转换器是一种经济高效的解决方案
模块化DC/DC转换器是一种简单的解决方案，例如RECOM[1]新型、高性价比的2W REM2系列（图4），采用紧凑的SIP8封装，提供2MOPP隔离等级和250VAC额定工作电压。该转换器已通过IEC/EN/ES 60601-1的认证，让最终EMC测试变得更加简单。转换器以单路或双路输出，为传感器或仪表放大器供电，并具有五种不同标称输入电压供选择。模块的工作温度范围为-40°C至+95°C，从80°C开始降额，可适用海拔高达5000m。转换器的效率高达85%、低噪声、符合IEC/EN 60601-1-2和EN 55011对EMC的要求。隔离电容仅为25pF。
图4：RECOM的2W DC/DC转换器，具有2MOPP/250VAC 额定电压
隔离式DC/DC转换器是符合医疗隔离级别要求、应用在连接患者设备上的重要组件。经过认证，微型封装的现成模块解决了所有应用问题。
参考文献
[1] RECOM: www.recom-power.com/medical
RECOM: We Power your Products
图1：ECG监护仪的典型传感器电路
有时，例如在手术中，需要把传感器放置在体内。大多数传感器都是电子设备，因此它们在设计上需要确保足够低的电压和电流，以避免对患者造成电击伤害。还有一项要求，即传感器绝不提供一条回路，使得故障设备中破坏性的电流通过患者回流至传感器。这意味着传感器及其电源不仅必须与危险高压充分隔离，还必须与“地”隔离。即使是电池供电的手持设备也可能会通过连接的打印机、USB端口或笔记本电脑接地。
在医疗电子产品中，相关的安全标准是“医疗电气设备”IEC 60601-1以及各国家标准：例如欧洲的EN 60601-1和美国的ANSI/AAMI ES 60601-1。在标准中，“隔离”具有非常特殊的涵义，即需要在危险电压或高能量来源与患者之间进行有效的双重电气隔离。因此医疗设备必须具有双重“保护措施”（MOPs），以防其中一项失败，另一项仍可以提供足够的保护。MOP要求有两个级别：操作者的MOOP和更高级别的患者MOPP。
在绝缘隔离条件下，为了给传感器供电或读取数据，具有增强型绝缘结构的微型安全变压器或光耦合器是一种实用的解决方案。这些方式提供高耐压隔离，但在隔离两端仍有耦合电容，存在漏电流，因此必须尽可能的降低耦合电容。
如果传感器电源来自AC/DC转换器，则安全的隔离输出是所有电源的标准配置。但是，商用或IT用AC/DC的隔离等级不足以满足医疗标准。许多设备只有一项保护措施，并且隔离耦合电容通常太高而无法满足低漏电流的要求。此外，输出可能是“浮动的”，但是与“地”的隔离并不充分。一些“医疗级”AC/DC具有操作者保护措施（MOOP），但由于输入/输出和输出/接地的隔离不足，而且AC/DC隔离耦合电容也不够低，所以不适合直接与患者连接。虽然也有具备双重患者保护（2MOPP）的AC/DC可以使用，但功率范围有限而且价格昂贵。多通道传感器通常需要多个相互隔离的电源轨，但可以肯定的是，只有完全定制的2MOPP AC/DC才会具备全部所需的电源轨。
DC/DC可以构成隔离系统的一部分
一种解决方案是使用标准的2MOOP医疗级隔离的AC/DC转换器，然后以一个或多个医疗级DC/DC转换器来为传感器增加另一级的隔离。这些转换器提供所需的传感器电压轨，如果它们具有高隔离和低耦合电容就可以进一步成为隔离系统的一部分，来满足最严格的“心脏漂浮”（CF）类设备的应用。图2显示了具有接地外壳或 “Class I” 电气配置系统的典型连接
图2：使用DC/DC转换器满足医疗级 CF应用
在图2的示例中，即使AC/DC具有2MOOP，DC/DC转换器也需要2MOPP，因为有未指定的设备（SIP/SOP）连接到DC/DC输入端，这可能在故障的情况下产生危险电压。如果设备是“Class II”电气设备，即没有接地连接，并使用未指定外部连接的塑料外壳，但如果AC/DC至少具有2MOOP的隔离，那么DC/DC转换器可以只需要1MOPP等级的隔离（D），用于直接与患者连接的应用。DC/DC通常只需提供低功率电源，不仅体积小成本也低。
DC/DC转换器的典型应用如图3所示。这里使用一个仪表放大器作为ECG传感器，为分析提供数字数据。另一个DC/DC为驱动器供电，驱动器为患者进行某种刺激，并且与传感器隔离。数据则用光偶进行隔离。仪表放大器通常需要+/-5V的电压，驱动器则需要+12V的电压。由稳压系统电压供电的两个2W板载DC/DC转换器提供隔离的电压轨。由于是稳压输入且负载恒定，因此DC/DC可以是简单、低成本的 “非稳压” 转换器，只需百分之几的负载调节率，即可获得足够的性能。
图3：DC/DC转换器为传感器和驱动器提供隔离的电源轨
DC/DC转换器可以为其他测量或刺激通道提供更多隔离的电源轨。DC/DC转换器的小尺寸和设计使其具有极低的耦合电容，因此漏电流极小。
DC/DC转换器会产生噪声
所有高效率的DC/DC转换器都是“开关式”电源，因此会产生传导和辐射电磁噪声。在实际电路中，这种噪声会干扰其他测量，特别是当信号在mV范围内的时候，例如ECG设备中。医疗标准60601-1-2也对噪声有所限制，因此必须尽可能抑制DC/DC内部的噪声水平，或进行外部滤波。不过，外部滤波器通常必须桥接隔离栅以减小由于漏电流导致的 “共模” 噪声。由此可见，应该首选固有噪声水平较低的DC/DC转换器。
如图2所示，具有2MOPP隔离等级的DC/DC转换器需要满足设备“系统”电压标准中规定的爬电距离和电气间隙。实际上，如果部件可以在海拔2000米以上的地方使用，对于240VAC供电系统来说，爬电距离和电气间隙需要大于8mm。连接的医疗设备必须很小，因此低功率DC/DC的电路板通常只有几平方厘米的空间。这意味着隔离变压器是一个复杂的设计，必须使用三层增强绝缘线，并增加绝缘和环氧树脂封装以降低局部环境的“污染度”。因此要实现分立式DC/DC的解决方案并不容易，而且在许多应用中都需要采购昂贵的定制变压器。
模块化DC/DC转换器是一种经济高效的解决方案
模块化DC/DC转换器是一种简单的解决方案，例如RECOM[1]新型、高性价比的2W REM2系列（图4），采用紧凑的SIP8封装，提供2MOPP隔离等级和250VAC额定工作电压。该转换器已通过IEC/EN/ES 60601-1的认证，让最终EMC测试变得更加简单。转换器以单路或双路输出，为传感器或仪表放大器供电，并具有五种不同标称输入电压供选择。模块的工作温度范围为-40°C至+95°C，从80°C开始降额，可适用海拔高达5000m。转换器的效率高达85%、低噪声、符合IEC/EN 60601-1-2和EN 55011对EMC的要求。隔离电容仅为25pF。
图4：RECOM的2W DC/DC转换器，具有2MOPP/250VAC 额定电压
隔离式DC/DC转换器是符合医疗隔离级别要求、应用在连接患者设备上的重要组件。经过认证，微型封装的现成模块解决了所有应用问题。
参考文献
[1] RECOM: www.recom-power.com/medical
RECOM: We Power your Products
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