【導(dǎo)讀】專業(yè)和家庭醫(yī)療保健是一個(gè)快速發(fā)展的市場(chǎng)，從生命體征指示設(shè)備到無(wú)線充電植入物，越來(lái)越多與患者接觸的醫(yī)療設(shè)備被廣泛使用。無(wú)論是電池供電還是交流供電，每個(gè)連接的設(shè)備都需要直流電源，而低功率的模塊化DC/DC轉(zhuǎn)換器通常用作安全隔離系統(tǒng)的一部分。本文介紹了DC/DC轉(zhuǎn)換器在這一領(lǐng)域的應(yīng)用，解釋了所需的相關(guān)安全認(rèn)證，并且推出專為該應(yīng)用設(shè)計(jì)的商用轉(zhuǎn)換器系列。
在專業(yè)和家庭醫(yī)療保健中，有越來(lái)越多的醫(yī)療設(shè)備直接接觸到人體以測(cè)量各項(xiàng)健康指標(biāo)，包括體表參數(shù)，例如皮膚電阻率、體溫和血氧飽和度水平，以及使用心電圖（ECG）設(shè)備監(jiān)測(cè)心跳（圖1）。
圖1：ECG監(jiān)護(hù)儀的典型傳感器電路
有時(shí)，例如在手術(shù)中，需要把傳感器放置在體內(nèi)。大多數(shù)傳感器都是電子設(shè)備，因此它們?cè)谠O(shè)計(jì)上需要確保足夠低的電壓和電流，以避免對(duì)患者造成電擊傷害。還有一項(xiàng)要求，即傳感器絕不提供一條回路，使得故障設(shè)備中破壞性的電流通過(guò)患者回流至傳感器。這意味著傳感器及其電源不僅必須與危險(xiǎn)高壓充分隔離，還必須與“地”隔離。即使是電池供電的手持設(shè)備也可能會(huì)通過(guò)連接的打印機(jī)、USB端口或筆記本電腦接地。
在醫(yī)療電子產(chǎn)品中，相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)是“醫(yī)療電氣設(shè)備”IEC 60601-1以及各國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：例如歐洲的EN 60601-1和美國(guó)的ANSI/AAMI ES 60601-1。在標(biāo)準(zhǔn)中，“隔離”具有非常特殊的涵義，即需要在危險(xiǎn)電壓或高能量來(lái)源與患者之間進(jìn)行有效的雙重電氣隔離。因此醫(yī)療設(shè)備必須具有雙重“保護(hù)措施”（MOPs），以防其中一項(xiàng)失敗，另一項(xiàng)仍可以提供足夠的保護(hù)。MOP要求有兩個(gè)級(jí)別：操作者的MOOP和更高級(jí)別的患者M(jìn)OPP。
在絕緣隔離條件下，為了給傳感器供電或讀取數(shù)據(jù)，具有增強(qiáng)型絕緣結(jié)構(gòu)的微型安全變壓器或光耦合器是一種實(shí)用的解決方案。這些方式提供高耐壓隔離，但在隔離兩端仍有耦合電容，存在漏電流，因此必須盡可能的降低耦合電容。
如果傳感器電源來(lái)自AC/DC轉(zhuǎn)換器，則安全的隔離輸出是所有電源的標(biāo)準(zhǔn)配置。但是，商用或IT用AC/DC的隔離等級(jí)不足以滿足醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)。許多設(shè)備只有一項(xiàng)保護(hù)措施，并且隔離耦合電容通常太高而無(wú)法滿足低漏電流的要求。此外，輸出可能是“浮動(dòng)的”，但是與“地”的隔離并不充分。一些“醫(yī)療級(jí)”AC/DC具有操作者保護(hù)措施（MOOP），但由于輸入/輸出和輸出/接地的隔離不足，而且AC/DC隔離耦合電容也不夠低，所以不適合直接與患者連接。雖然也有具備雙重患者保護(hù)（2MOPP）的AC/DC可以使用，但功率范圍有限而且價(jià)格昂貴。多通道傳感器通常需要多個(gè)相互隔離的電源軌，但可以肯定的是，只有完全定制的2MOPP AC/DC才會(huì)具備全部所需的電源軌。
DC/DC可以構(gòu)成隔離系統(tǒng)的一部分
一種解決方案是使用標(biāo)準(zhǔn)的2MOOP醫(yī)療級(jí)隔離的AC/DC轉(zhuǎn)換器，然后以一個(gè)或多個(gè)醫(yī)療級(jí)DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)為傳感器增加另一級(jí)的隔離。這些轉(zhuǎn)換器提供所需的傳感器電壓軌，如果它們具有高隔離和低耦合電容就可以進(jìn)一步成為隔離系統(tǒng)的一部分，來(lái)滿足最嚴(yán)格的“心臟漂浮”（CF）類設(shè)備的應(yīng)用。圖2顯示了具有接地外殼或 “Class I” 電氣配置系統(tǒng)的典型連接
圖2：使用DC/DC轉(zhuǎn)換器滿足醫(yī)療級(jí) CF應(yīng)用
在圖2的示例中，即使AC/DC具有2MOOP，DC/DC轉(zhuǎn)換器也需要2MOPP，因?yàn)橛形粗付ǖ脑O(shè)備（SIP/SOP）連接到DC/DC輸入端，這可能在故障的情況下產(chǎn)生危險(xiǎn)電壓。如果設(shè)備是“Class II”電氣設(shè)備，即沒(méi)有接地連接，并使用未指定外部連接的塑料外殼，但如果AC/DC至少具有2MOOP的隔離，那么DC/DC轉(zhuǎn)換器可以只需要1MOPP等級(jí)的隔離（D），用于直接與患者連接的應(yīng)用。DC/DC通常只需提供低功率電源，不僅體積小成本也低。
DC/DC轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用如圖3所示。這里使用一個(gè)儀表放大器作為ECG傳感器，為分析提供數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。另一個(gè)DC/DC為驅(qū)動(dòng)器供電，驅(qū)動(dòng)器為患者進(jìn)行某種刺激，并且與傳感器隔離。數(shù)據(jù)則用光偶進(jìn)行隔離。儀表放大器通常需要+/-5V的電壓，驅(qū)動(dòng)器則需要+12V的電壓。由穩(wěn)壓系統(tǒng)電壓供電的兩個(gè)2W板載DC/DC轉(zhuǎn)換器提供隔離的電壓軌。由于是穩(wěn)壓輸入且負(fù)載恒定，因此DC/DC可以是簡(jiǎn)單、低成本的 “非穩(wěn)壓” 轉(zhuǎn)換器，只需百分之幾的負(fù)載調(diào)節(jié)率，即可獲得足夠的性能。
圖3：DC/DC轉(zhuǎn)換器為傳感器和驅(qū)動(dòng)器提供隔離的電源軌
DC/DC轉(zhuǎn)換器可以為其他測(cè)量或刺激通道提供更多隔離的電源軌。DC/DC轉(zhuǎn)換器的小尺寸和設(shè)計(jì)使其具有極低的耦合電容，因此漏電流極小。
DC/DC轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生噪聲
所有高效率的DC/DC轉(zhuǎn)換器都是“開關(guān)式”電源，因此會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)和輻射電磁噪聲。在實(shí)際電路中，這種噪聲會(huì)干擾其他測(cè)量，特別是當(dāng)信號(hào)在mV范圍內(nèi)的時(shí)候，例如ECG設(shè)備中。醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)60601-1-2也對(duì)噪聲有所限制，因此必須盡可能抑制DC/DC內(nèi)部的噪聲水平，或進(jìn)行外部濾波。不過(guò)，外部濾波器通常必須橋接隔離柵以減小由于漏電流導(dǎo)致的 “共模” 噪聲。由此可見，應(yīng)該首選固有噪聲水平較低的DC/DC轉(zhuǎn)換器。
如圖2所示，具有2MOPP隔離等級(jí)的DC/DC轉(zhuǎn)換器需要滿足設(shè)備“系統(tǒng)”電壓標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的爬電距離和電氣間隙。實(shí)際上，如果部件可以在海拔2000米以上的地方使用，對(duì)于240VAC供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，爬電距離和電氣間隙需要大于8mm。連接的醫(yī)療設(shè)備必須很小，因此低功率DC/DC的電路板通常只有幾平方厘米的空間。這意味著隔離變壓器是一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)，必須使用三層增強(qiáng)絕緣線，并增加絕緣和環(huán)氧樹脂封裝以降低局部環(huán)境的“污染度”。因此要實(shí)現(xiàn)分立式DC/DC的解決方案并不容易，而且在許多應(yīng)用中都需要采購(gòu)昂貴的定制變壓器。
模塊化DC/DC轉(zhuǎn)換器是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案
模塊化DC/DC轉(zhuǎn)換器是一種簡(jiǎn)單的解決方案，例如RECOM[1]新型、高性價(jià)比的2W REM2系列（圖4），采用緊湊的SIP8封裝，提供2MOPP隔離等級(jí)和250VAC額定工作電壓。該轉(zhuǎn)換器已通過(guò)IEC/EN/ES 60601-1的認(rèn)證，讓最終EMC測(cè)試變得更加簡(jiǎn)單。轉(zhuǎn)換器以單路或雙路輸出，為傳感器或儀表放大器供電，并具有五種不同標(biāo)稱輸入電壓供選擇。模塊的工作溫度范圍為-40°C至+95°C，從80°C開始降額，可適用海拔高達(dá)5000m。轉(zhuǎn)換器的效率高達(dá)85%、低噪聲、符合IEC/EN 60601-1-2和EN 55011對(duì)EMC的要求。隔離電容僅為25pF。
圖4：RECOM的2W DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有2MOPP/250VAC 額定電壓
隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器是符合醫(yī)療隔離級(jí)別要求、應(yīng)用在連接患者設(shè)備上的重要組件。經(jīng)過(guò)認(rèn)證，微型封裝的現(xiàn)成模塊解決了所有應(yīng)用問(wèn)題。
參考文獻(xiàn)
[1] RECOM: www.recom-power.com/medical
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