การเลือกและการใช้ตัวแปลง DC/DC ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานทางการแพทย์

การออกแบบแหล่งจ่ายไฟที่ใช้ไฟหลัก AC หรือแบตเตอรี่เป็นเรื่องซับซ้อน นักออกแบบจะต้องพัฒนาโซลูชันที่ให้แรงดันไฟและกระแสไฟฟ้าที่เสถียรข้ามโหลดที่แตกต่างกันพร้อมทั้งทำงานอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อลดการสูญเสียพลังงานให้น้อยที่สุด อย่างไรก็ตาม เมื่อแหล่งจ่ายไฟมีไว้สำหรับผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ การออกแบบจะซับซ้อนมากขึ้นเนื่องจากความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยที่เข้มงวดเกี่ยวกับการสัมผัสทางไฟฟ้ากับผู้ป่วย และการป้องกันสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)

การตอบสนองความต้องการเหล่านี้มีค่าใช้จ่ายสูงและใช้เวลานานสำหรับนักออกแบบที่พัฒนาอุปกรณ์จ่ายไฟทางการแพทย์ตั้งแต่พื้นฐาน ตัวแปลง DC/DC แบบโมดูลาร์เชิงพาณิชย์เป็นทางเลือกหนึ่ง แต่ต้องระมัดระวังในการเลือกและใช้โซลูชันเหล่านี้

บทความนี้อธิบายบทบาทของตัวแปลง DC/DC ในวงจรแหล่งจ่ายไฟโดยย่อ และสรุปเกณฑ์การเลือกและข้อควรพิจารณาพิเศษที่จำเป็นสำหรับการประยุกต์ใช้ทางการแพทย์ จากนั้นจะแนะนำอุปกรณ์ตัวอย่างจากXP Power และแสดงรูปแบบการประยุกต์ใช้งาน

บทบาทของตัวแปลง DC/DC

แม้ว่าแบตเตอรี่จะได้รับการจัดอันดับด้วยแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด แต่เอาต์พุตจะได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่างๆ เช่น สถานะการชาร์จ ความต้องการสูงสุด และอุณหภูมิ คุณลักษณะที่สำคัญอย่างหนึ่งคือแรงดันไฟฟ้าขาออกจะลดลงเมื่อแบตเตอรี่หมด อย่างไรก็ตาม IC และส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อนอื่นๆ ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าคงที่เพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง ตัวแปลง DC/DC นำเสนอโซลูชันด้วยการควบคุมแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าขาออกที่เชื่อถือได้และสม่ำเสมอ (หรือเอาต์พุตต่างๆ) เพื่อจ่ายไฟให้กับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

ตัวแปลง DC/DC ยังเป็นเรื่องปกติในผลิตภัณฑ์ที่ใช้ไฟหลักเช่นกัน ตัวแปลง AC/DC ขั้นต้นจะควบคุมไฟหลัก AC ให้เป็นแรงดันไฟ DC ด้วยตัวแปลง DC/DC หนึ่งตัวหรือมากกว่า จากนั้นการควบคุมเพิ่มเติมจะนำแรงดันไฟฟ้าไปสู่ระดับที่เหมาะสมสำหรับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

โทโพโลยีสำหรับตัวแปลง DC/DC อาจเป็นแบบเชิงเส้นหรือการสลับก็ได้ ตัวควบคุมเชิงเส้นเป็นอุปกรณ์ที่เรียบง่ายและแข็งแรง แต่ประสิทธิภาพจะลดลงเมื่อความต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและขาออกเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ ตัวควบคุมเชิงเส้นสามารถลดระดับแรงดันไฟฟ้าได้เท่านั้น แทนที่จะเพิ่มระดับแรงดันไฟฟ้าหรือกลับทิศของแรงดันไฟฟ้า การไม่สามารถเพิ่มแรงดันไฟฟ้าทำให้แบตเตอรี่มีศักยภาพที่ยังไม่ได้ใช้

เครื่องควบคุมการสลับใช้องค์ประกอบการสลับที่ปรับความกว้างพัลส์ (PWM) และโดยทั่วไปประกอบด้วย MOSFET หนึ่งหรือสองตัวที่จับคู่กับตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุหนึ่งหรือสองตัวเพื่อกักเก็บพลังงานและกรอง เหตุผลหลักที่นักออกแบบเลือกเครื่องควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งคือประสิทธิภาพสูงและความหนาแน่นของพลังงานสูง นอกจากนี้ ตัวควบคุมสามารถเพิ่ม ลด และย้อนกลับแรงดันไฟฟ้าได้

ความท้าทายสำหรับนักออกแบบที่ใช้ตัวควบคุมการสลับ ได้แก่ ความซับซ้อนในการออกแบบ ต้นทุน และปัญหา EMI ที่อาจเกิดขึ้นอันเนื่องมาจากองค์ประกอบการสลับ เป็นไปได้ที่จะออกแบบเครื่องควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่ง DC/DC ตั้งแต่เริ่มต้น และแนวทางดังกล่าวอาจช่วยประหยัดต้นทุนและพื้นที่ได้ แต่ก็ซับซ้อนและใช้เวลานาน ทางเลือกอื่นคือการเลือกจากโมดูลเชิงพาณิชย์ที่มีให้เลือกมากมาย เช่น XP PowerJMR ซีรีส์ที่ผสานองค์ประกอบหลักของตัวควบคุมสวิตช์เข้าไว้ในอุปกรณ์เดียวที่มีขนาดกะทัดรัด เชื่อถือได้ และออกแบบให้เป็นผลิตภัณฑ์ได้ง่าย (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: อุปกรณ์โมดูลาร์ เช่น ซีรีส์ JMR ผสานองค์ประกอบหลักของตัวควบคุมการสลับ DC/DC เข้าเป็นอุปกรณ์เดียวที่มีขนาดกะทัดรัด เชื่อถือได้ และออกแบบได้ง่าย (แหล่งที่มาของภาพ: XP Power)

การเลือกตัวแปลง DC/DC

มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกตัวแปลง DC/DC บางอย่างก็ชัดเจน เช่น แอปพลิเคชันจะกำหนดแรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุต และกระแสไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุต ส่วนอื่นๆ จะมีรายละเอียดที่แตกต่างกันมากขึ้น ตัวอย่างเช่น การเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดต้องพิจารณาถึงโปรไฟล์โหลดทั่วไปของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย นอกจากนี้ นักออกแบบควรตรวจสอบเส้นกราฟประสิทธิภาพตามแผ่นข้อมูลสำหรับตัวแปลง DC/DC ที่ผ่านการคัดเลือก เพื่อให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจะทำงานที่จุดประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุดของตัวแปลงโดยทั่วไป

XP Power’sJMR1024S05 เป็นตัวอย่างที่ดีของตัวแปลง DC/DC สำหรับการใช้งานทางการแพทย์ ตัวแปลงนี้เป็นอุปกรณ์ทางการแพทย์แบบติดตั้งบนแผงวงจรพิมพ์ (pc board) ขนาดกะทัดรัดพิเศษ โดยมีขนาด 20.3 x 31.8 x 10.2 มิลลิเมตร (mm) และมีลีดเจาะทะลุขนาด 3mm มีเอาต์พุต 5V จากอินพุตที่กำหนด 24V (ต่ำสุด 9V, สูงสุด 36V) โมดูลนี้มีกระแสไฟขาออกสูงสุดที่ 2 แอมแปร์ (A) และกระแสไฟอินพุตโหลดเต็มที่ 491 มิลลิแอมแปร์ (mA) แรงดันริปเปิลเอาต์พุตคือ 75 มิลลิโวลต์ (mV) จุดสูงสุดถึงจุดสูงสุด (pk-pk) และประสิทธิภาพคือ 84.9%

โมดูลนี้มีคุณสมบัติการกินไฟขณะไม่มีโหลดต่ำเพียง 6mA ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและลดการสูญเสียพลังงาน สามารถประหยัดการใช้พลังงานแบบไม่มีโหลดเพิ่มเติมได้อีก 3mA โดยการยับยั้งโมดูลจากระยะไกล (รูปที่ 2) โมดูลจะเปิดถ้าพิน 1 เป็นวงจรเปิด โมดูลจะปิดถ้าพิน 1 เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายกระแสไฟ 2mA ถึง 4mA หรือหากจ่ายไฟ 2.2V ถึง 12V ไปที่ Pin 1 เทียบกับ Pin 2

รูปที่ 2: การใช้พลังงานแบบไม่มีโหลดของ JMR1024S05 สามารถลดลงเหลือ 3mA ได้โดยการยับยั้งโมดูลจากระยะไกล (แหล่งที่มาของภาพ: XP Power)

XP Power นำเสนอทางเลือกในสายผลิตภัณฑ์ 10W การJMR1048S12 ตัวอย่างเช่น ทำงานจากอินพุต 48V ที่กำหนด (18V ถึง 75V) และส่งเอาต์พุต 12V ด้วยกระแสไฟเอาต์พุตสูงสุดที่ 833mA กระแสอินพุตโหลดเต็มคือ 237mA และเมื่อทำงานในสภาวะนี้ ประสิทธิภาพจะอยู่ที่ 88%

การJMR1012D15 ทำงานจากอินพุต 12V ที่กำหนด (4.5V ถึง 18V) และส่งเอาต์พุต ±15V ด้วยกระแสไฟสูงสุด 333mA กระแสอินพุตโหลดเต็มคือ 957mA และเมื่อทำงานในสภาวะนี้ ประสิทธิภาพจะอยู่ที่ 87%

ความถี่การสลับสำหรับซีรีส์ JMR 10W คือ 300 กิโลเฮิรตซ์ (kHz)

ข้อกำหนดพิเศษสำหรับการประยุกต์ใช้ทางการแพทย์

ผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์มีความต้องการตัวแปลง DC/DC มากขึ้น เนื่องจากส่วนประกอบไฟฟ้าที่ใช้ในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายอยู่ภายใต้มาตรฐานความปลอดภัยทางการแพทย์ IEC 60601-1 ที่เข้มงวด

ตามมาตรฐาน IEC 60601-1 “ชิ้นส่วนที่นำไปใช้งาน” หมายถึงองค์ประกอบของอุปกรณ์การแพทย์ที่สัมผัสกับผู้ป่วยโดยตรง หรือมีส่วนที่อาจสัมผัสกับผู้ป่วยในระหว่างการใช้งานผลิตภัณฑ์ตามปกติ มาตรฐานกำหนดชิ้นส่วนที่นำไปใช้ตามประเภทการสัมผัสของผู้ป่วยและลักษณะของอุปกรณ์ทางการแพทย์

การแบ่งประเภทประเภท B จะใช้กับชิ้นส่วนที่ใช้โดยทั่วไปไม่นำไฟฟ้า และอาจเชื่อมต่อกับกราวด์ได้ Type BF (การลอยตัวของร่างกาย) จะให้เฉพาะกับชิ้นส่วนที่ต่อกับตัวผู้ป่วยด้วยไฟฟ้าและจะต้องลอยน้ำได้และแยกจากพื้น ประเภท BF ไม่ครอบคลุมถึงชิ้นส่วนที่สัมผัสกับหัวใจโดยตรง การแบ่งประเภท CF (การเคลื่อนตัวของหัวใจ) จะใช้กับชิ้นส่วนที่ประยุกต์ใช้สำหรับการเชื่อมต่อหัวใจโดยตรง ชิ้นส่วนที่ใช้ประเภท CF จะต้องลอยได้และแยกจากพื้น

อุปกรณ์การแพทย์ที่เชื่อมต่อกับผู้ป่วยจะต้องมีวิธีการป้องกัน (MOP) เพื่อป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนที่นำไปใช้ (และชิ้นส่วนอื่นที่สามารถเข้าถึงได้) เกินขีดจำกัดของแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า หรือพลังงาน การเชื่อมต่อกราวด์ป้องกันที่เป็นไปตามข้อกำหนดให้ 1 x MOP การแยกพื้นฐานให้ 1 x MOP และฉนวนเสริมให้ 2 x MOP

MOP ยังสามารถแบ่งประเภทเพิ่มเติมได้เป็น วิธีการปกป้องผู้ปฏิบัติงาน (MOOP) และวิธีการปกป้องผู้ป่วย (MOPP) ในอุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อเชื่อมต่อผู้ป่วย ต้องใช้ MOPP 2 x

แหล่งจ่ายไฟสำหรับอุปกรณ์การแพทย์ที่มีการจำแนกประเภทประเภท BF และ CF จะต้องจัดหา 2 x MOPP จากปฐมภูมิไปยังทุติยภูมิ และ 1 x MOPP จากปฐมภูมิไปยังกราวด์ การแยกความปลอดภัยเพิ่มเติมจากเอาต์พุตรองของแหล่งจ่ายไฟไปยังกราวด์จะต้องได้รับการจัดอันดับที่ 1 x MOPP สำหรับแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับขาเข้าที่ได้รับการจัดอันดับสูงสุด ตารางที่ 1 แสดงระยะห่างจากอากาศ ระยะตามผิวฉนวน และแรงดันทดสอบสำหรับฉนวนพื้นฐาน (1 x MOP) และฉนวนเสริม (2 x MOP) ในทั้งการใช้งาน MOOP และ MOPP

ตารางที่ 1: แสดงระยะห่างจากอากาศ ระยะตามผิวฉนวน และแรงดันทดสอบสำหรับฉนวนพื้นฐาน (1 x MOP) และฉนวนเสริม (2 x MOP) ในทั้งการใช้งาน MOOP และ MOPP (ที่มาของตาราง: XP Power)

นอกเหนือจาก MOP สำหรับแอปพลิเคชั่น MOOP และ MOPP แล้ว แหล่งจ่ายไฟสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์จะต้องได้รับการออกแบบเพื่อจำกัดกระแสสัมผัส กระแสเสริมสำหรับผู้ป่วย และกระแสรั่วไหลสำหรับผู้ป่วย ค่าสูงสุดที่อนุญาตสำหรับกระแสสัมผัสคือ 100 ไมโครแอมแปร์ (μA) ในสภาวะปกติและ 500μA ในสภาวะความผิดพลาดเดี่ยว (SFC) ข้อกำหนดนี้จำกัดกระแสไฟรั่วของระบบลงดินได้อย่างมีประสิทธิผลที่ 500μA ในการทำงานปกติ

ข้อกำหนดสำหรับกระแสสัมผัส กระแสเสริมสำหรับผู้ป่วย และกระแสรั่วไหลสำหรับผู้ป่วย ถือเป็นความท้าทายสำหรับนักออกแบบ พวกเขาต้องแน่ใจว่าแหล่งจ่ายไฟมีการแยกความปลอดภัยตามที่จำเป็นในขณะที่ลดกระแสไฟรั่วให้เหลือน้อยที่สุดภายใต้การทำงานปกติ และการป้องกันภายใต้สภาวะผิดปกติโดยแยกผู้ป่วยออกจากกราวด์

ท้ายที่สุด อุปกรณ์ทางการแพทย์จะต้องเป็นไปตามข้อกำหนด EMC ที่ระบุไว้ใน IEC 60601-1-2 ข้อกำหนดเหล่านี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อปรับปรุงภูมิคุ้มกันของอุปกรณ์จากอุปกรณ์สื่อสารไร้สายต่างๆ ที่ทำงานใกล้กับอุปกรณ์ที่สำคัญต่อชีวิต วัตถุประสงค์รองของข้อกำหนดคือการให้คำแนะนำ EMC สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้ภายนอกโรงพยาบาลเมื่อมีแนวโน้มที่จะควบคุมสภาพแวดล้อม EMC น้อยกว่า

การใช้ตัวแปลง DC/DC เป็นสเตจแยกตัวที่สอง

ความท้าทายในการออกแบบข้อกำหนดทางการแพทย์พิเศษสามารถบรรเทาลงได้โดยการเลือกตัวแปลง DC/DC อย่างระมัดระวังเพื่อแนะนำขั้นตอนการแยกครั้งที่สอง การเพิ่มขั้นตอนนี้ให้การแยกพื้นฐานที่แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ นอกจากนี้ยังช่วยลดความจุอินพุตถึงเอาต์พุตให้เหลือน้อยที่สุด (เหลือประมาณ 20 ถึง 50 พิโกฟารัด (pF)) ซึ่งจะช่วยลดกระแสไฟรั่วไหลที่อาจเกิดขึ้นกับผู้ป่วยลงเหลือเพียงไม่กี่ไมโครแอมแปร์เท่านั้น (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ตัวแปลง DC/DC ที่ได้รับอนุมัติ (ขวา) สามารถใช้สำหรับการควบคุมแรงดันไฟฟ้าให้กับชิ้นส่วนที่ใช้ในขณะที่ให้การแยกรองสำหรับ 1 x MOPP และลดกระแสไฟรั่วไหลที่อาจเกิดขึ้นกับผู้ป่วยให้เหลือน้อยที่สุด (แหล่งที่มารูปภาพ: XP Power)

ตัวอย่างเช่น ตัวแปลง DC/DC 10W ซีรีส์ XP Power JMR ที่อธิบายไว้ข้างต้นมีคุณสมบัติที่ได้รับการรับรองจากหน่วยงานความปลอดภัยทางการแพทย์ IEC60601-1, แหล่งจ่ายไฟเสริม 2 x MOPP 5 กิโลโวลต์ (kV) AC, ความจุแยก 17pF และกระแสไฟรั่วสำหรับผู้ป่วย 2μA ช่วยให้สามารถผสานรวมเข้ากับแอพพลิเคชั่นทางการแพทย์ BF และ CF ที่หลากหลายได้อย่างง่ายดาย

การกรอง EMC ซึ่งจำเป็นเพื่อให้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายเป็นไปตามข้อกำหนดของ IEC 60601-1-2 สามารถเพิ่มเข้าในวงจรระหว่างระบบอุปกรณ์ทางการแพทย์และระบบควบคุมและตัวแปลง DC/DC ได้โดยไม่กระทบต่อการแยกหรือกระแสไฟรั่วไหลต่ำ รูปที่ 4 แสดงวงจรตัวกรอง EMC ที่แนะนำสำหรับไฟกระชากและภาวะไฟฟ้าชั่วขณะรวดเร็ว (EFT) และ EMI คลาส B

รูปที่ 4: แสดงวงจรตัวกรอง EMC ที่แนะนำสำหรับไฟกระชากและ EFT และ EMI คลาส B สำหรับใช้กับตัวแปลง DC/DC ซีรีส์ JMR10 (แหล่งที่มารูปภาพ: XP Power)

ตารางที่ 2 แสดงค่าส่วนประกอบที่แนะนำสำหรับวงจรเหล่านี้เมื่อใช้อุปกรณ์ซีรีส์ JMR10 ที่มีแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 12V, 24V และ 48V

ตารางที่ 2: แสดงค่าส่วนประกอบที่แนะนำสำหรับวงจรที่แสดงในรูปที่ 4 (ที่มาของตาราง: XP Power)

สรุป

ตัวแปลง DC/DC แบบโมดูลาร์และบูรณาการสูงช่วยลดความยุ่งยากในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟประสิทธิภาพสูงที่เชื่อถือได้สำหรับระบบทางการแพทย์ อย่างไรก็ตาม นักออกแบบจะต้องเลือกอุปกรณ์ที่ได้รับการรับรองมาตรฐาน IEC 60601-1 อย่างระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่าเป็นไปตามข้อกำหนดของมาตรฐานด้านความปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงานและผู้ป่วย รวมถึง EMC