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來源：DigiKey 作者：Steven Keeping 設計一個使用交流電或電池供電的電源非常復雜。設計人員必須開發出一種解決方案，既能在不同負載下提供穩定的電壓和電流，又能高效運行，以最大限度降低功耗。而且當電源用于醫療產品時，由于電磁兼容性 (EMC)、與病人電氣接觸的嚴格安全要求以及電磁干擾 (EMI) 保護等原因，設計會變得更加復雜。 對于從頭開始開發醫療電源的設計人員來說，要滿足這些要求可謂是費錢又費時。商用模塊化 DC/DC 轉換器是一種替代方案，但在選擇和運用這些解決方案時必須小心謹慎。 本文簡要說明了 DC/DC 轉換器在電源電路中的作用，并概述了醫療應用要求的選擇標準和特殊考慮因素。然后介紹了 XP Power 的實例器件，并展示了一個應用模型。 DC/DC 轉換器的作用 雖然電池有額定電壓，但輸出會受到充電狀態、峰值需求和溫度等因素的影響。一個主要特征是電壓輸出會隨著電池放電而下降。然而，集成電路和其他敏感元件需要穩定的電壓才能正常工作。DC/DC 轉換器通過調節輸入電壓提供了一種解決方案，可為最終產品提供可靠、穩定的電壓輸出。 DC/DC 轉換器在市電供電型產品中也很常見。使用一個或多個 DC/DC 轉換器時，起始 AC/DC 轉換器能將交流市電調節為直流電壓。然后，進一步調節電壓，使之達到適合最終產品的水平。 DC/DC 轉換器的拓撲結構可以是線性的，也可以是開關式的。線性穩壓器是一種簡單而牢固的設備，但其效率會隨著輸入和輸出電壓差的增大而降低。此外，線性穩壓器只能降壓，而不能升壓或反轉電壓。無法提升電壓會使電池的潛力得不到挖掘。 開關穩壓器使用脈寬調制 (PWM) 開關元件，通常由一個或兩個 MOSFET 以及一個或兩個電感器和電容器組成，用于儲能和濾波。設計人員選擇開關穩壓器的主要原因是其高效率和高功率密度。此外，這種穩壓器還可以升壓、降壓和反相。 設計人員使用開關穩壓器也會面臨挑戰，包括設計復雜性、成本以及開關元件可能產生的 EMI 問題。從零開始設計 DC/DC 開關穩壓器是可能的，這種方法可以節省一些成本和空間，但比較復雜且耗時。另一種方法是從各種商用模塊（如 XP Power 的 JMR 系列）中選擇，這些模塊將開關穩壓器的主要元件集成到單個器件中，結構緊湊、性能可靠，而且易于設計導入產品（圖 1）。 
圖 1：諸如 JMR 系列之類模塊化設備會將 DC/DC 開關穩壓器的主要元件集成到單個器件中，結構緊湊，性能可靠，易于設計。（圖片來源：XP Power） 選擇 DC/DC 轉換器 選擇 DC/DC 轉換器時需要考慮很多因素。有些是顯而易見的，例如，應用將確定輸入和輸出電壓以及輸入和輸出電流。另一些則較為微妙。例如，最大限度地提高效率需要考慮最終產品的典型負載情況。此外，設計人員還應檢查入選 DC/DC 轉換器的規格書效率曲線，以確保最終產品通常能在轉換器的效率最佳點上運行。 XP Power 的 JMR1024S05 就是醫療應用 DC/DC 轉換器的典例。該轉換器是一種超緊湊的印刷電路板（PC 板）安裝式醫療器件，尺寸為 20.3 x 31.8 x 10.2 毫米 (mm)，通孔引線為 3 mm。其輸出電壓為 5 V，標稱輸入電壓為 24 V（最低 9 V，最高 36 V）。該模塊的最大輸出電流為 2 安培 (A) ，滿載輸入電流為 491 毫安 (mA)。輸出紋波電壓的峰峰值 (pk-pk)為 75 毫伏 (mV)，效率為 84.9%。 該模塊的空載功耗低至 6 mA，從而提高了效率，降低了功耗。通過遠程抑制模塊，可進一步節省 3 mA 的空載功耗（圖 2）。如果引腳 1 為開路，則模塊處于導通狀態；如果引腳 1 連接到 2 mA 至 4 mA 的電流源，或者引腳 1 相對于引腳 2 施加了 2.2 V 至 12 V 的電壓，則模塊處于斷開狀態。
圖 2：通過遠程抑制模塊，可將 JMR1024S05 的空載功耗降至 3 mA。（圖片來源：XP Power） XP Power 在其 10 瓦產品線中提供了替代產品。例如，JMR1048S12 的標稱輸入電壓為 48 V（18 V 至 75 V），輸出電壓為 12 V，最大輸出電流為 833 mA。滿載輸入電流為 237 mA，在此條件下工作時，效率為 88%。 JMR1012D15 的標稱輸入電壓為 12 V（4.5 V 至 18 V），輸出電壓為 ±15 V，最大電流為 333 mA。滿載輸入電流為 957 mA，在此條件下工作時，效率為 87%。 JMR 10 瓦系列的開關頻率為 300 千赫 (kHz)。 醫療應用的特殊要求 醫療產品對 DC/DC 轉換器的要求更高，因為終端產品中使用的電氣元件必須符合嚴格的 IEC 60601-1 醫療安全標準。 根據 IEC 60601-1，“觸身部件”是指醫療設備中與患者身體直接接觸的元件，或在產品正常使用過程中可能與患者接觸的部件。該標準根據與患者接觸的類型和醫療設備的性質來定義觸身部件。 B 型分類適用于一般不導電并可接地的觸身部件。BF 型（身體浮動）適用于與患者電氣連接且必須浮動并與接地隔離的的觸身部件。BF 型不包括與心臟直接接觸的觸身部件。CF 型（心臟浮動）分類適用于直接連接心臟的觸身部件。CF 型觸身部件必須是浮動的，并與接地分離。 與患者連接的醫療設備必須提供保護措施 (MOP)，以防止觸身部件（和其他可接觸部件）超過電壓、電流或能量限制。符合要求的保護接地連接要提供 1 x MOP（一重保護措施），基本隔離也要提供 1 x MOP，加強絕緣則要提供 2 x MOP（雙重保護措施）。 MOP 可進一步分為操作員保護措施 (MOOP) 和病人保護措施 (MOPP)。在用于連接病人的設備中，需要 2 x MOPP。 用于 BF 和 CF 型醫療設備的電源從初級側到次級側必須提供 2 x MOPP 并從初級到接地提供 1 x MOPP。對于最高額定級輸入交流線路電壓，電源的任何次級輸出到接地必須采取 1 x MOPP 級的額外安全隔離。表 1 顯示了 MOOP 和 MOPP 應用中基本 (1 x MOP) 和加強 (2 x MOP) 絕緣適用的空氣間隙、爬電距離和測試電壓。
表 1 顯示了 MOOP 和 MOPP 應用中基本 (1 x MOP) 和加強 (2 x MOP) 絕緣適用的空氣間隙、爬電距離和測試電壓。（表格來源：XP Power） 除了用于 MOOP 和 MOPP 應用的 MOP 外，醫療設備電源的設計還必須限制接觸電流、患者輔助電流和患者漏電電流。在正常情況下，接觸電流的最大允許值為 100 微安 (μA)，在單故障情況下為 500 微安 (SFC)。這一要求有效地將正常運行時的系統接地漏電電流限制在 500 μA。 對接觸電流、患者輔助電流和患者漏電電流的要求是設計人員面臨的一項挑戰。他們必須確保電源提供所需的安全隔離，同時在正常運行時盡量減少漏電電流，并在故障情況下要將病人進行接地隔離來提供保護。 最后，醫療設備必須符合 IEC 60601-1-2 中所列的 EMC 要求。這些要求旨在提高設備的抗干擾能力，避免許多無線通信設備靠近生命攸關的設備而造成問題。這些要求的次要目的是為醫院外使用的設備提供電磁兼容性指導，因為醫院外的電磁兼容環境往往較難控制。 使用 DC/DC 轉換器作為第二隔離級 通過仔細選擇 DC/DC 轉換器來引入第二隔離級，可以減輕特殊醫療要求對設計帶來的挑戰。增加這一級可實現交流線路電壓的基本隔離。它還最大限度地減少了輸入到輸出的電容（約為 20 至 50 皮法 (pF)），這反過來又將潛在的病人漏電電流減少到幾個微安（圖 3）。
圖 3：經認可的 DC/DC 轉換器（右）可用于對觸身部件進行電壓調節，同時為 1 x MOPP 提供次級隔離，并最大限度地降低潛在的患者漏電電流。（圖片來源：XP Power） 例如，上述 XP Power JMR 系列 10 瓦 DC/DC 轉換器具有 IEC60601-1 醫療安全機構認證、2 x MOPP 5 千伏 (kV) 交流增強隔離、17 pF 隔離電容和 2 μA 病人漏電電流，可輕松集成到各種 BF 和 CF 醫療應用中。 為了使最終產品符合 IEC 60601-1-2 的要求，可在醫療設備系統和控制裝置與 DC/DC 轉換器之間的電路中加入 EMC 濾波，這不會影響隔離或低漏電電流。圖 4 顯示了針對浪涌和電氣快速瞬態 (EFT) 以及 EMI B 類要求的推薦 EMC 濾波電路。
圖 4：所示為與 JMR10 系列 DC/DC 轉換器一起使用的針對浪涌、EFT 和 EMI B 類要求推薦的 EMC 濾波電路。（圖片來源：XP Power） 表 2 列出了使用輸入電壓為 12 V、24 V 和 48 V 的 JMR10 系列器件時，這些電路的推薦元件參數值。
表 2：圖 4 所示電路的推薦元件參數值。（表格來源：XP Power） 結語 模塊化和高集成度 DC/DC 轉換器簡化了可靠、高性能醫療系統電源的設計。但是選擇時設計人員必須小心從事，應選擇通過 IEC 60601-1 認證的設備，確保其符合該標準對操作員和患者安全以及 EMC 的要求。 |
