Thiết kế bộ nguồn hoạt động bằng điện lưới AC hoặc pin là một việc phức tạp. Người thiết kế phải đưa ra giải pháp cung cấp điện áp và dòng điện ổn định cho các tải khác nhau, đồng thời hoạt động hiệu quả để giảm thiểu sự tiêu hao năng lượng. Tuy nhiên, khi bộ nguồn dành cho sản phẩm y tế, việc thiết kế trở nên phức tạp hơn do các yêu cầu về tương thích điện từ (EMC), các yêu cầu an toàn nghiêm ngặt liên quan đến tiếp xúc điện với bệnh nhân và bảo vệ khỏi nhiễu điện từ (EMI).
Đáp ứng những yêu cầu này rất tốn kém và mất thời gian cho các nhà thiết kế phát triển bộ nguồn y tế từ đầu. Bộ chuyển đổi DC/DC mô-đun thương mại là một giải pháp thay thế, nhưng cần phải cẩn thận khi lựa chọn và áp dụng các giải pháp này.
Bài viết này mô tả ngắn gọn vai trò của bộ chuyển đổi DC/DC trong mạch cấp nguồn và phác thảo các tiêu chí lựa chọn và những cân nhắc đặc biệt dành cho các ứng dụng y tế. Sau đó, bài viết giới thiệu các thiết bị ví dụ từ XP Power và cho thấy một mô hình ứng dụng.
Vai trò của bộ chuyển đổi DC/DC
Mặc dù pin được đánh giá với điện áp danh định, nhưng đầu ra bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như trạng thái sạc, nhu cầu đỉnh và nhiệt độ. Một đặc điểm chính là điện áp đầu ra giảm khi pin xả. Tuy nhiên, các IC và các linh kiện nhạy cảm khác yêu cầu điện áp ổn định để hoạt động chính xác. Bộ chuyển đổi DC/DC cung cấp giải pháp bằng cách điều chỉnh điện áp đầu vào để cung cấp điện áp đầu ra ổn định và nhất quán (hoặc các đầu ra) để cấp nguồn cho sản phẩm cuối cùng.
Bộ chuyển đổi DC/DC cũng phổ biến trong các sản phẩm chạy bằng điện lưới. Bộ chuyển đổi AC/DC ban đầu điều chỉnh điện lưới AC thành điện áp DC với một hoặc nhiều bộ chuyển đổi DC/DC. Sau đó, điều chỉnh thêm sẽ đưa điện áp đó đến mức phù hợp cho sản phẩm cuối cùng.
Các cấu trúc liên kết cho bộ chuyển đổi DC/DC có thể là tuyến tính hoặc chuyển mạch. Bộ điều chỉnh tuyến tính là những thiết bị đơn giản và mạnh mẽ, nhưng hiệu suất của chúng giảm khi sự chênh lệch giữa điện áp đầu vào và đầu ra tăng lên. Ngoài ra, bộ điều chỉnh tuyến tính chỉ có thể giảm áp (buck) chứ không thể tăng áp (boost) hoặc đảo ngược điện áp. Không thể tăng điện áp khiến cho pin không được khai thác hết tiềm năng.
Bộ điều chỉnh chuyển mạch sử dụng một phần tử chuyển mạch được điều chế độ rộng xung (PWM) và thường bao gồm một hoặc hai MOSFET ghép nối với một hoặc hai cuộn cảm và tụ điện để lưu trữ năng lượng và lọc. Lý do chính khiến các nhà thiết kế lựa chọn bộ điều chỉnh chuyển mạch là hiệu suất cao và mật độ công suất cao. Hơn nữa, các bộ điều chỉnh có thể tăng áp, giảm áp và đảo ngược điện áp.
Những thách thức đối với các nhà thiết kế sử dụng bộ điều chỉnh chuyển mạch bao gồm độ phức tạp của thiết kế, chi phí và các vấn đề EMI tiềm ẩn do các phần tử chuyển mạch. Có thể thiết kế bộ điều chỉnh chuyển mạch DC/DC từ đầu và cách tiếp cận như vậy có thể tiết kiệm một số chi phí và không gian, nhưng nó phức tạp và tốn thời gian. Một giải pháp thay thế là lựa chọn từ nhiều loại mô-đun thương mại, chẳng hạn như dòng JMR của XP Power, tích hợp các phần tử chính của bộ điều chỉnh chuyển mạch vào một thiết bị duy nhất nhỏ gọn, đáng tin cậy và dễ thiết kế vào sản phẩm (Hình 1).
Lựa chọn bộ chuyển đổi DC/DC
Có nhiều yếu tố cần xem xét khi lựa chọn bộ chuyển đổi DC/DC. Một số là hiển nhiên; ví dụ, ứng dụng sẽ xác định điện áp đầu vào và đầu ra và dòng điện đầu vào và đầu ra. Những người khác thì tinh tế hơn. Ví dụ, tối đa hóa hiệu quả đòi hỏi phải xem xét hồ sơ tải điển hình của sản phẩm cuối cùng. Ngoài ra, nhà thiết kế nên kiểm tra các đường cong hiệu suất biểu dữ liệu cho các bộ chuyển đổi DC/DC được đưa vào danh sách rút gọn để đảm bảo sản phẩm cuối cùng thường hoạt động ở điểm hiệu suất lý tưởng của bộ chuyển đổi.
JMR1024S05 của XP Power là một ví dụ điển hình về bộ chuyển đổi DC/DC cho ứng dụng y tế. Bộ chuyển đổi này là một thiết bị y tế siêu nhỏ gọn, gắn trên bảng mạch in (bo mạch pc) có kích thước 20,3 x 31,8 x 10,2 mm, với các dây dẫn xuyên lỗ 3 mm. Nó có đầu ra 5 V từ đầu vào danh định là 24 V (tối thiểu 9 V, tối đa 36 V). Mô-đun có dòng điện đầu ra tối đa là 2 ampe (A) và dòng điện đầu vào tải đầy đủ là 491 miliampe (mA). Điện áp gợn sóng đầu ra là 75 milivôn (mV) từ đỉnh đến đỉnh (pk-pk) và hiệu suất của nó là 84,9%.
Mô-đun có mức tiêu thụ điện năng không tải thấp là 6 mA, giúp tăng hiệu suất và giảm tiêu hao năng lượng. Có thể tiết kiệm thêm 3 mA mức tiêu thụ điện năng không tải bằng cách ức chế mô-đun từ xa (Hình 2). Mô-đun bật nếu Chân 1 là mạch hở; mô-đun tắt nếu Chân 1 được kết nối với nguồn dòng điện từ 2 mA đến 4 mA hoặc nếu 2,2 V đến 12 V được áp dụng cho Chân 1 so với Chân 2.
XP Power cung cấp các lựa chọn thay thế trong dòng 10 watt của họ. Ví dụ, JMR1048S12 hoạt động từ đầu vào 48 V danh định (18 V đến 75 V) và cung cấp đầu ra 12 V với dòng điện đầu ra tối đa là 833 mA. Dòng điện đầu vào tải đầy đủ là 237 mA và khi hoạt động trong điều kiện này, hiệu suất là 88%.
JMR1012D15 hoạt động từ đầu vào 12 V danh định (4,5 V đến 18 V) và cung cấp đầu ra ±15 V với dòng điện tối đa là 333 mA. Dòng điện đầu vào tải đầy đủ là 957 mA và khi hoạt động trong điều kiện này, hiệu suất là 87%.
Tần số chuyển mạch cho dòng JMR 10 watt là 300 kilohertz (kHz).
Các yêu cầu đặc biệt đối với ứng dụng y tế
Các sản phẩm y tế yêu cầu nhiều hơn từ bộ chuyển đổi DC/DC vì các linh kiện điện được sử dụng trong sản phẩm cuối cùng phải tuân theo tiêu chuẩn an toàn y tế IEC 60601-1 nghiêm ngặt.
Theo IEC 60601-1, “bộ phận ứng dụng” được định nghĩa là thành phần của thiết bị y tế tiếp xúc trực tiếp với bệnh nhân hoặc có các bộ phận có khả năng tiếp xúc với bệnh nhân trong quá trình sử dụng bình thường của sản phẩm. Tiêu chuẩn xác định các bộ phận được áp dụng theo loại tiếp xúc của bệnh nhân và bản chất của thiết bị y tế.
Phân loại Loại B được dành cho các bộ phận ứng dụng thường không dẫn điện và có thể được kết nối với đất. Loại BF (nổi thân máy) được dành cho các bộ phận ứng dụng được kết nối điện với bệnh nhân và phải nổi và tách biệt khỏi mặt đất. Loại BF không bao gồm các bộ phận được áp dụng tiếp xúc trực tiếp với tim. Phân loại Loại CF (nổi tim) được dành cho các bộ phận ứng dụng phù hợp để kết nối trực tiếp với tim. Các bộ phận được áp dụng Loại CF phải nổi và tách biệt khỏi mặt đất.
Các thiết bị y tế kết nối với bệnh nhân được yêu cầu cung cấp phương tiện bảo vệ (MOP) để ngăn các bộ phận được áp dụng (và các bộ phận có thể tiếp cận khác) vượt quá giới hạn về điện áp, dòng điện hoặc năng lượng. Kết nối tiếp đất bảo vệ tuân thủ cung cấp 1 x MOP, cách ly cơ bản cũng cung cấp 1 x MOP và cách điện được gia cố cung cấp 2 x MOP.
MOP có thể được phân loại thêm thành Phương tiện bảo vệ người vận hành (MOOP) và Phương tiện bảo vệ bệnh nhân (MOPP). Trong các thiết bị dành cho kết nối bệnh nhân, yêu cầu 2 x MOPP.
Bộ nguồn cho thiết bị y tế có phân loại Loại BF và CF phải cung cấp 2 x MOPP từ sơ cấp đến thứ cấp và 1 x MOPP từ sơ cấp đến đất. Cách ly an toàn bổ sung từ bất kỳ đầu ra thứ cấp nào của bộ nguồn đến đất cũng phải được đánh giá ở mức 1 x MOPP cho điện áp đường dây AC đến được đánh giá cao nhất. Bảng 1 hiển thị khoảng cách không khí, khoảng cách rò rỉ và điện áp thử nghiệm cho cách điện cơ bản (1 x MOP) và cách điện được gia cố (2 x MOP) trong cả ứng dụng MOOP và MOPP.
| Cách điện | MOOP | MOPP |
|---|---|---|
| Khoảng cách không khí | Khoảng cách rò rỉ | |
| Cơ bản (1 x MOP) | 2,0 mm | 3,2 mm |
| Gấp đôi gia cố (2 x MOP) | 4,0 mm | 6,4 mm |
Bảng 1: Hiển thị khoảng cách không khí, khoảng cách rò rỉ và điện áp thử nghiệm cho cách điện cơ bản (1 x MOP) và cách điện được gia cố (2 x MOP) trong cả ứng dụng MOOP và MOPP.
Ngoài MOP cho các ứng dụng MOOP và MOPP, bộ nguồn cho thiết bị y tế phải được thiết kế để hạn chế dòng điện chạm, dòng điện phụ trợ của bệnh nhân và dòng điện rò rỉ của bệnh nhân. Các giá trị tối đa cho phép đối với dòng điện chạm là 100 microampe (μA) trong điều kiện bình thường và 500 μA trong điều kiện lỗi đơn (SFC). Yêu cầu này hạn chế hiệu quả dòng điện rò rỉ đất của hệ thống xuống 500 μA trong hoạt động bình thường.
Các yêu cầu đối với dòng điện chạm, dòng điện phụ trợ của bệnh nhân và dòng điện rò rỉ của bệnh nhân là một thách thức đối với các nhà thiết kế. Họ phải đảm bảo rằng bộ nguồn cung cấp khả năng cách ly an toàn cần thiết đồng thời giảm thiểu dòng điện rò rỉ trong hoạt động bình thường và bảo vệ trong điều kiện lỗi bằng cách cách ly bệnh nhân khỏi mặt đất.
Cuối cùng, thiết bị y tế phải tuân thủ các yêu cầu EMC được nêu trong IEC 60601-1-2. Các yêu cầu này nhằm cải thiện khả năng miễn nhiễm của thiết bị khỏi nhiều thiết bị giao tiếp không dây hoạt động gần thiết bị quan trọng đối với sự sống. Mục tiêu thứ hai của các yêu cầu là cung cấp hướng dẫn EMC cho thiết bị được sử dụng bên ngoài bệnh viện khi có xu hướng kiểm soát ít hơn đối với môi trường EMC.
Sử dụng bộ chuyển đổi DC/DC làm tầng cách ly thứ hai
Các thách thức thiết kế của các yêu cầu y tế đặc biệt có thể được giảm thiểu bằng cách lựa chọn cẩn thận bộ chuyển đổi DC/DC để giới thiệu tầng cách ly thứ hai. Việc bổ sung tầng này cung cấp khả năng cách ly cơ bản ở điện áp đường dây AC. Nó cũng giảm thiểu điện dung đầu vào-đầu ra (khoảng 20 đến 50 picofarads (pF)), do đó làm giảm dòng điện rò rỉ tiềm ẩn của bệnh nhân xuống chỉ còn vài microampe (Hình 3).
Ví dụ, bộ chuyển đổi DC/DC 10 watt dòng JMR của XP Power được mô tả ở trên có sự chấp thuận của cơ quan an toàn y tế IEC60601-1, cách ly được gia cố 2 x MOPP 5 kilovolt (kV) AC, điện dung cách ly 17 pF và dòng điện rò rỉ của bệnh nhân 2 μA, cho phép dễ dàng tích hợp vào một loạt các ứng dụng y tế BF và CF.
Lọc EMC, được yêu cầu để cho phép sản phẩm cuối cùng đáp ứng các yêu cầu của IEC 60601-1-2, có thể được thêm vào mạch giữa hệ thống thiết bị y tế và bộ điều khiển và bộ chuyển đổi DC/DC mà không ảnh hưởng đến cách ly hoặc dòng điện rò rỉ thấp. Hình 4 minh họa các mạch lọc EMC được khuyến nghị cho xung điện và quá độ nhanh điện (EFT) và EMI Loại B.
Bảng 2 hiển thị các giá trị thành phần được khuyến nghị cho các mạch này khi sử dụng các thiết bị dòng JMR10 với điện áp đầu vào là 12 V, 24 V và 48 V.
| Số hiệu model | D1 | C1(1) | C2, C3 | L1 | L2 |
|---|---|---|---|---|---|
| JMR1012XXXSMDJ | 26A | 470 μF / 100 V | MLCC, 22 μF, 35 V | 2,2 μH | LDF648075-52UH-3,14A |
| JMR1024XXXSMDJ | 58A | 330 μF / 100 V | MLCC, 4,7 μF, 50 V | 4,7 μH | LDF649075-175UH-1,76A |
| JMR1048XXXSMDJ | 120A | 330 μF / 100 V | MLCC, 2,2 μF, 100 V | 6,8 μH | LDF649075-419UH-0,78A |
