การใช้อุปกรณ์ GaN เพื่อลดขนาดแหล่งจ่ายไฟ AC/DC ภายนอกสำหรับทางการแพทย์

แม้จะมีความก้าวหน้าในเทคโนโลยีแบตเตอรี่และวงจรไฟฟ้ากำลังต่ำ แต่ระบบการแพทย์ก็เป็นหนึ่งในการใช้งานจำนวนมากที่การออกแบบเฉพาะแบตเตอรี่อย่างเดียวแบบไม่มีการเชื่อมต่ออาจไม่สามารถทำได้ ใช้งานได้จริง หรือยอมรับได้ ทว่าอุปกรณ์มักจะต้องทำงานโดยตรงจากการเชื่อมต่อกับสายไฟ AC หรืออย่างน้อยก็สามารถใช้เต้ารับ AC ในการทำงานเมื่อแบตเตอรี่เหลือน้อย

นอกเหนือจากการปฏิบัติตามข้อกำหนดประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายไฟ AC/DC ขั้นพื้นฐานแล้ว แหล่งจ่ายไฟทางการแพทย์ต้องปฏิบัติตามข้อบังคับด้านกฎระเบียบสำหรับการพิจารณาประสิทธิภาพที่ไม่ชัดเจน เช่น การแยกกระแสไฟฟ้า ระดับแรงดันไฟฟ้า กระแสรั่วไหล และวิธีการป้องกัน (MOP) โดยมาตรฐานเหล่านี้มีไว้เพื่อให้แน่ใจว่าส่วนที่รับพลังงานไฟฟ้าจะไม่ทำให้ผู้ปฏิบัติงานหรือผู้ป่วยตกอยู่ในความเสี่ยง แม้ว่าการจ่ายไฟหรือโหลดจะเกิดขัดข้องก็ตาม ในขณะเดียวกัน ผู้ออกแบบอุปกรณ์จ่ายไฟทางการแพทย์ยังคงต้องปรับปรุงประสิทธิภาพและลดขนาดและน้ำหนักอย่างต่อเนื่อง

บทความนี้กล่าวถึงการใช้อุปกรณ์ AC/DC ภายนอกในเครื่องมือทางการแพทย์ และศึกษามาตรฐานด้านกฎระเบียบที่เกี่ยวข้อง จากนั้นจะแนะนำผลิตภัณฑ์จาก XP Power ซึ่งนักออกแบบสามารถใช้เพื่อให้ตรงตามมาตรฐานเหล่านี้ ขณะเดียวกันก็ใช้ประโยชน์จากอุปกรณ์จ่ายไฟแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) เพื่อลดขนาดของแหล่งจ่ายไฟลงเกือบครึ่งหนึ่ง

ข้อกำหนดการออกแบบแหล่งจ่ายไฟขั้นพื้นฐาน

การเลือกแหล่งจ่ายไฟ AC/DC จะเริ่มต้นด้วยการวัดประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายไฟมาตรฐาน โดยแหล่งจ่ายไฟจะต้องมีแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่กำหนดและสามารถจ่ายกระแสไฟที่กำหนดที่แรงดันไฟฟ้านั้นเพื่อรองรับโหลดได้ แหล่งจ่ายไฟทั่วไปต้องรองรับช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุต AC กว้าง (โดยทั่วไปคือ 85 โวลต์ AC (VAC) ถึง 264 VAC) ที่ความถี่ตั้งแต่ 47 ถึง 63 เฮิรตซ์ (Hz)

แรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุตและพิกัดกระแสเหล่านี้มีความสำคัญ แต่ไม่เพียงพอที่จะใช้ในการกำหนดแหล่งจ่ายไฟได้อย่างสมบูรณ์ ข้อควรพิจารณาอื่น ๆ ได้แก่:

• คุณลักษณะด้านประสิทธิภาพแบบไดนามิก เช่น ความล่าช้าในการเปิดใช้งาน เวลาในการเปิดใช้งาน เวลาค้าง การควบคุมไฟฟ้าขาเข้าและโหลด การตอบสนองชั่วคราว การกระเพื่อมและสัญญาณรบกวน และโอเวอร์ชูต
• ป้องกันการโอเวอร์โหลด การลัดวงจร และอุณหภูมิที่สูงเกินไป
• ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นฟังก์ชันของพิกัดกำลังสูงสุดของแหล่งจ่ายไฟ และต้องมีค่าเฉพาะตามแนวกราฟโหลด รวมถึงจุดโหลดเต็ม โหลดต่ำ และไม่มีโหลด
• ตัวประกอบกำลัง (PF) ที่ใกล้เคียงกับยูนิตี้ โดยที่หมายเลข PF เฉพาะเป็นหน้าที่ของระดับกำลังและการควบคุมมาตรฐานการควบคุม
• ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) กำหนดลักษณะพิเศษของการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าสูงสุด (EMI)/การรบกวนความถี่วิทยุ (RFI) ของแหล่งจ่าย ตลอดจนความไวต่อการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) พลังงานที่แผ่กระจาย การปลดปล่อยพลังงาน ไฟกระชาก และสนามแม่เหล็ก
• ความปลอดภัยกำหนดข้อกำหนดพื้นฐานในการปกป้องผู้ใช้และอุปกรณ์ รวมถึงแรงดันไฟฟ้าแยกระหว่างอินพุตและเอาต์พุต อินพุตลงกราวด์ และเอาต์พุตลงกราวด์

ข้อกำหนดสำหรับแหล่งจ่ายไฟทางการแพทย์

มาตรฐานและข้อบังคับเพิ่มเติมทำให้ยุ่งยากยิ่งขึ้นสำหรับการประเมินแหล่งจ่ายไฟสำหรับการใช้งานทางการแพทย์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับความปลอดภัยของผู้ป่วยและผู้ปฏิบัติงานเป็นหลัก เพื่อให้มั่นใจว่าแหล่งจ่ายไฟจะไม่ตกอยู่ในความเสี่ยงไม่ว่าจะเกิดข้อผิดพลาดเพียงครั้งเดียวหรือสองครั้งก็ตาม

มีข้อกังวลส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับกระแสรั่วไหล โดยแรงดันไฟฟ้ามาตรฐาน (110/230 โวลต์; 50 หรือ 60 เฮิรตซ์) ที่ผ่านหน้าอก แม้เสี้ยววินาที อาจกระตุ้นให้เกิดภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะที่กระแสต่ำถึง 30 มิลลิแอมแปร์ (mA) หากกระแสไฟฟ้ามีเส้นทางไปยังหัวใจ เช่น ผ่านสายสวนหัวใจหรืออิเล็กโทรดอื่นๆ กระแสไฟฟ้าที่ต่ำกว่า 1 mA (AC หรือ DC) ที่ต่ำกว่ามากสามารถทำให้เกิดภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะได้

ต่อไปนี้เป็นเกณฑ์มาตรฐานบางส่วนที่มักอ้างถึงกระแสผ่านร่างกายผ่านการสัมผัสทางผิวหนัง และค่ากระแสไฟฟ้าที่เป็นอันตรายสำหรับการสัมผัสภายในจะต่ำกว่ามาก:

• 1 mA: แทบจะไม่สังเกตเห็น
• 16 mA: กระแสสูงสุดที่คนทั่วไปสามารถจับและ "ปล่อยไป"
• 20 mA: กล้ามเนื้อทางเดินหายใจอัมพาต
• 100 mA: เกณฑ์ขั้นต่ำของภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ
• 2 A: หัวใจหยุดนิ่งและอวัยวะภายในเสียหาย

ระดับความเสี่ยงยังเป็นฟังก์ชันของเส้นทางการไหลของกระแสไฟฟ้าที่ผ่านจุดที่สัมผัสกับร่างกาย 2 จุด เช่น ข้ามหรือผ่านหน้าอก หรือจากแขนลงไปที่เท้า ซึ่งเหตุผลว่าทำไมการลดกระแสรั่วไหลที่ผ่านฉนวนอิเล็กทริกของหม้อแปลงแยกกระแสไฟ AC จึงเป็นสิ่งสำคัญ

ดูเหมือนว่าปริมาณกระแสไฟรั่วอาจไม่สำคัญหากมีฉนวนที่มีคุณภาพเพียงพอ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าการรั่วไหลนี้อาจเป็นกระแสที่ "รั่ว" ทางกายภาพผ่านได้เนื่องจากลักษณะของฉนวนที่ไม่สมบูรณ์ แต่ก็อาจเป็นผลมาจากกระแสคู่แบบเก็บประจุที่สามารถข้ามได้แม้กระทั่งฉนวนพิเศษ

แบบจำลองที่เรียบง่ายของหม้อแปลงในอุดมคติ แสดงให้เห็นการแยกกัลวานิก (โอห์มมิก) ที่สมบูรณ์แบบระหว่างด้านปฐมภูมิและด้านทุติยภูมิ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: แบบจำลองพื้นฐานของหม้อแปลงไฟฟ้าแสดงให้เห็นว่าไม่มีเส้นทางกระแสจากด้านปฐมภูมิไปยังด้านทุติยภูมิ (แหล่งที่มาภาพ: Power Sources Manufacturers Association)

ในหม้อแปลงไฟฟ้าในอุดมคติ ไม่มีกระแสใดสามารถไหลโดยตรงจากแหล่งจ่ายไฟหลัก AC ไปยังอุปกรณ์จ่ายไฟ เพื่อสร้างวงจรกระแสที่สมบูรณ์กลับไปยังแหล่งจ่ายไฟหลัก AC แม้ว่าส่วนประกอบหรือสายไฟที่สามารถใช้งานได้จะสร้างเส้นทางกระแสใหม่ในด้านทุติยภูมิก็ตาม อย่างไรก็ตาม ไม่มีหม้อแปลงไฟฟ้าที่สมบูรณ์แบบ และคาดว่าจะมีความจุพันขดลวดระหว่างขดลวดปฐมภูมิถึงทุติยภูมิ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: แบบจำลองที่สมจริงมากขึ้นแสดงความจุพันขดลวดพื้นฐาน (C_PS1) ระหว่างขดลวดปฐมภูมิถึงทุติยภูมิ (แหล่งที่มาภาพ: Power Sources Manufacturers Association)

แบบจำลองที่ซับซ้อนมากขึ้นจะเพิ่มแหล่งความจุพันขดลวดเพิ่มเติม (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: มีความจุของหม้อแปลงอื่น ๆ นอกเหนือจากการพันขดลวดครั้งแรก (C_PS1) (แหล่งที่มาภาพ: Power Sources Manufacturers Association)

ความจุไฟฟ้าที่ไม่ต้องการนี้ยอมให้กระแสรั่วไหลไหลผ่านได้ โดยค่าขึ้นอยู่กับตัวแปรหลายอย่าง เช่น ขนาดสายไฟ รูปแบบการพันขดลวด และรูปทรงของหม้อแปลง ค่าอาจมีตั้งแต่ต่ำตั้งแค่หนึ่งพิโคฟารัด (pF) ไปจนถึงไม่กี่ไมโครฟารัด (µF) นอกเหนือจากการรั่วไหลตามตัวเก็บประจุของหม้อแปลงแล้ว แหล่งที่มาอื่นๆ ของความจุโดยไม่ได้ตั้งใจ ได้แก่ ระยะห่างบนแผงวงจรพิมพ์ (บอร์ดพีซี) ฉนวนระหว่างเซมิคอนดักเตอร์และฮีทซิงค์แบบต่อสายดิน และโหลดแฝงระหว่างส่วนประกอบอื่นๆ

กระแสไฟฟ้ารั่วของหม้อแปลงเนื่องจากความจุไม่ได้เป็นเพียงข้อกังวลด้านกฎระเบียบด้านแหล่งจ่ายไฟทางการแพทย์เท่านั้น ความปลอดภัยขั้นพื้นฐานของ AC และฉนวนเป็นสิ่งสำคัญอันดับแรก ขึ้นอยู่กับระดับแรงดันไฟฟ้าและพลังงาน แหล่งจ่ายไฟอาจจำเป็นต้องมีตัวกั้นฉนวนอิสระตัวที่สอง นอกเหนือจากตัวกั้นหลัก (หรือฉนวนเสริมแรงทางกายภาพ) ประสิทธิภาพของฉนวนยังลดลงเมื่อเวลาผ่านไปเนื่องจากอุณหภูมิสูงมาก ความเครียดจากไฟฟ้าแรงสูง และแรงดันไฟกระชาก แม้ว่าจะยังอยู่ภายใต้ค่าพิกัดของอุปกรณ์ก็ตาม

โดยทั่วไปฉนวนชั้นแรกเรียกว่า “ฉนวนพื้นฐาน” ตัวอย่างเช่น ฉนวนลวด ชั้นที่สองมักเป็นกล่องหุ้มฉนวน ดังที่เห็นในแหล่งจ่ายไฟแบบติดผนังและเดสก์ท็อปหลายรุ่น

มาตรฐานและวิธีการป้องกัน (MoP)

มาตรฐานหลักที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์และความปลอดภัยคือ IEC 60601-1 ฉบับล่าสุด (ฉบับที่ 4 ) ขยายการมุ่งเน้นไปที่ผู้ป่วยโดยกำหนดให้ต้องมีวิธีการป้องกันโดยรวม (MOP) ที่รวมเอา “วิธีการคุ้มครองผู้ปฏิบัติงาน” (MOOP) และ “วิธีการคุ้มครองผู้ป่วย” (MOPP) อย่างน้อยหนึ่งรายการ

มาตรฐานการกำกับดูแลยังได้สร้างระดับการป้องกันเกี่ยวกับวิธีการจัดเตรียม MOOP สิ่งเหล่านี้ถูกกำหนดให้เป็น Class I และ Class II และควบคุมการก่อสร้างและฉนวนของแหล่งจ่ายไฟ โดยผลิตภัณฑ์ Class I มีโครงที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเชื่อมต่อกับกราวด์กราวด์เพื่อความปลอดภัย เพื่อให้เข้ากันได้กับปลั๊กติดผนังเฉพาะที่ แหล่งจ่ายไฟจึงมีเต้ารับ IEC320-C14 สำหรับสายไฟที่ผู้ใช้จัดหาพร้อมสายดินที่ปลอดภัย (รูปที่ 4 ด้านซ้าย)

ในทางตรงกันข้าม แหล่งจ่ายไฟ Class II มีสายไฟแบบสองเส้นที่มีการเชื่อมต่อสายดินเพื่อความปลอดภัย (รูปที่ 4 ด้านขวา) เนื่องจากไม่มีแชสซีที่ต่อสายดิน จึงมีฉนวนสองชั้น (หรือฉนวนเสริมชั้นเดียว) ระหว่างผู้ใช้กับตัวนำกระแสไฟภายใน

รูปที่ 4: แหล่งจ่ายไฟ Class I (ซ้าย) และ Class II (ขวา) มีการเชื่อมต่อสาย AC แบบสามสายหรือสองสายแบบไม่มีกราวด์ ซึ่งมักใช้กับเต้ารับ IEC มาตรฐานและสายไฟที่ผู้ใช้จัดหา (แหล่งที่มาภาพ: XP Power)

ผลลัพธ์ก็คือแหล่งจ่ายไฟ AC/DC ที่กำหนดสำหรับการใช้งานทางการแพทย์และได้รับการรับรองว่าเป็น Class I หรือ Class II จะต้องได้รับการออกแบบและทดสอบเป็นพิเศษตามมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง เป็นสิ่งที่ดีที่ผู้จำหน่ายแห่ลงจ่ายไฟ เช่น XP Power เข้าใจปัญหาทางเทคนิค การผลิต และการรับรองที่จำเป็นในการส่งมอบแหล่งจ่ายไฟที่ตรงตามมาตรฐานเหล่านี้

ขนาดก็มีความสำคัญเช่นกัน

ข้อกำหนดทางเทคนิคและข้อบังคับที่บังคับใช้กับอุปกรณ์ AC/DC ทางการแพทย์ไม่เกี่ยวข้องกับขนาดทางกายภาพ แต่ขนาดก็มีความสำคัญ แหล่งจ่ายไฟขนาดใหญ่ทำให้การจัดการพื้นที่การปฏิบัติงานซึ่งมีพื้นที่จำกัดมีความซับซ้อน เช่น ในรถพยาบาลหรือสถานที่ทางคลินิกซึ่งมีรถเข็นเคลื่อนที่และพื้นที่ที่มีจำกัด

การลดขนาดของแหล่งจ่ายไฟ AC/DC จะเป็นประโยชน์ในสถานการณ์เหล่านี้ แต่ก็ถือเป็นความท้าทาย ขนาดการแหล่งจ่ายไฟขั้นต่ำถูกจำกัดโดยความจำเป็นในการปฏิบัติตามหลักเกณฑ์ด้านกฎระเบียบที่ครอบคลุมถึงฉนวน, ระยะ Creepage, และระยะห่าง

ปัญหาอีกประการหนึ่งของการลดขนาดแหล่งจ่ายคือการกระจายความร้อน หากปริมาตรและพื้นที่ผิวบรรจุภัณฑ์ของแหล่งจ่ายไม่เพียงพอ อุณหภูมิภายในของแหล่งจ่ายจะสูงกว่าอุณหภูมิของแหล่งจ่ายที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ส่งผลให้ส่วนประกอบภายในแบบแอคทีฟ พาสซีฟ และฉนวนลดลง การระบายความร้อนด้วยลมไม่สามารถได้ยอมรับเนื่องจากการไหลเวียนของอากาศที่อาจเกิดขึ้น ปัญหาด้านความน่าเชื่อถือในระยะยาว และเพิ่มเสียงรบกวนรอบข้าง

นอกจากนี้ ความร้อนที่เกิดขึ้นอาจทำให้อุณหภูมิพื้นผิวของแหล่งจ่ายไฟสูงเกินกว่าที่ยอมรับได้ ส่งผลให้ผู้ป่วยและผู้ปฏิบัติงานตกอยู่ในความเสี่ยง กุญแจสำคัญในการลดขนาดวัสดุคือการใช้ส่วนประกอบการสวิชต์วงจรที่เหมาะสมเพื่อลดความร้อนที่เกิดขึ้น

นี่คือจุดที่อุปกรณ์สวิตชิ่งที่ใช้ GaN มีข้อได้เปรียบเหนือซิลิคอน (Si) อย่างชัดเจน เนื่องจากความต้านทานอนุกรมที่ต่ำกว่า เวลาการสวิตช์ที่เร็วขึ้น และประจุการกู้คืนแบบย้อนกลับที่ต่ำกว่าจะช่วยลดการสูญเสีย ส่งผลให้การสวิตช์แหล่งจ่ายไฟมีประสิทธิภาพ ระบายความร้อนได้ดีกว่า และกะทัดรัดมากขึ้น

ตัวอย่างคือ AQM200PS19 ของ XP-Power สมาชิกในซีรีส์ AQM แหล่งจ่ายไฟมีพิกัดสำหรับการทำงาน Class I อยู่ที่ 19 โวลต์/10.6 แอมแปร์ (A) หน่วยวัดขนาดประมาณ 167 × 54 × 33 มิลลิเมตร (มม.) ซึ่งเป็นครึ่งหนึ่งของขนาดปกติที่มีพิกัดเหล่านี้ และมีน้ำหนักเพียง 600 กรัม (กรัม) (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: AQM200PS19 เป็นอุปกรณ์ Class I 200 วัตต์ที่ให้แรงดันไฟฟ้า 19 โวลต์ที่สูงถึง 10.6 A พร้อมประสิทธิภาพ 92% (แหล่งที่มาภาพ: XP Power)

แหล่งจ่ายไฟภายนอกนี้ได้รับการรับรองตามมาตรฐานทางการแพทย์สากลอย่างสมบูรณ์ พารามิเตอร์ทางไฟฟ้าประกอบด้วยกระแสไฟรั่วของผู้ป่วยที่น้อยกว่า 100 ไมโครแอมแปร์ (µA) ประสิทธิภาพโดยทั่วไป 92% การใช้พลังงานขณะสแตนด์บายน้อยกว่า 0.15 วัตต์ และ PF ที่ >0.9

มีให้เลือกทั้งรุ่น Class I และ Class II แหล่งจ่ายไฟมีอุณหภูมิทำงานที่ 0° ถึง 60°C มีตัวเครื่องที่ปิดสนิทซึ่งเป็นไปตามระดับ IP22 และพื้นผิวเรียบช่วยให้ทำความสะอาดได้ง่ายขึ้นในสภาพแวดล้อมทางการแพทย์

สำหรับระบบที่มีกำลังสูงกว่า XP Power มี AQM300PS48-C2 อุปกรณ์ Class II ขนาด 300 วัตต์สำหรับเอาต์พุต 48 โวลต์/6.25 A และการใช้พลังงานขณะสแตนด์บายต่ำกว่า 0.5 วัตต์ แม้ว่าจะมีขนาดใหญ่กว่าเล็กน้อย แต่อุปกรณ์นี้ยังคงมีขนาดกะทัดรัดเพียง 183 × 85 × 35 มม. และน้ำหนัก 1,050 กรัม

ในพิกัดกำลังไฟ 250 วัตต์ XP Power นำเสนอ AQM250PS24 แหล่งจ่ายไฟ 24 โวลต์/10.4 A, Class 1 ที่มีการสิ้นเปลืองพลังงานขณะสแตนด์บายต่ำกว่า 0.15 วัตต์ ขนาด 172 × 67.1 × 32 มม.

สรุป

แหล่งจ่ายไฟ AC/DC ภายนอกสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านกฎระเบียบ การปฏิบัติงาน ประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และประสิทธิภาพที่เข้มงวด โดยแหล่งจ่ายไฟภายนอกซีรีส์ AQM ที่ผ่านการรับรองทางการแพทย์จาก XP Power มีประสิทธิภาพเหนือกว่าอุปกรณ์เหล่านี้เมื่อใช้อุปกรณ์ GaN ซึ่งส่งผลให้แพ็คเกจโดยรวมมีขนาดเพียงครึ่งหนึ่งของแหล่งจ่ายไฟ Si แบบคลาสสิก