בחירה ויישום של ממיר DC/DC‏ אופטימלי עבור יישומים רפואיים

תכנון ספק-כוח הפועל מרשת החשמל AC‏ או מסוללות הוא מסובך. על המתכנן לפתח פתרון המספק מתח וזרם יציבים על פני עומסים משתנים תוך פעולה יעילה כדי למזער את פיזור הספק. עם זאת, כאשר ספק הכוח מיועד למוצר רפואי, התכנון הופך מסובך יותר עקב דרישות תאימות אלקטרומגנטית (EMC), בטיחות מחמירות לגבי מגע חשמלי עם המטופל והגנה מפני הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).

עמידה בדרישות אלו היא יקרה וגוזלת זמן עבור מתכננים המפתחים ספקי כוח רפואיים מהיסוד. ממירי DC/DC מודולריים מסחריים הם חלופה, אך יש לנקוט זהירות בעת בחירת ויישום הפתרונות הללו.

מאמר זה מתאר בקצרה את תפקידו של ממיר DC/DC במעגל הספקת-כוח ומתאר את קריטריוני הבחירה והשיקולים המיוחדים הנדרשים עבור יישומים רפואיים. לאחר מכן הוא מציג התקנים לדוגמה של XP Power‏ ומציג דגם של יישום.

התפקיד של ממיר DC/DC

בעוד שסוללות מדורגות למתח נומינלי, היציאה מושפעת מגורמים כמו מצב הטעינה, ביקוש השיא והטמפרטורה. מאפיין מרכזי הוא שיציאת המתח יורדת ככל שהסוללה מתרוקנת. עם זאת, IC ורכיבים רגישים אחרים דורשים מתח קבוע כדי לתפקד כהלכה. ממיר DC/DC מציע פתרון על ידי ייצוב מתח הכניסה כדי לספק יציאה (או יציאות) עם מתח אמין ועקבי להזנת המוצר הסופי.

ממירי DC/DC הם נפוצים גם במוצרים המוזנים מרשת החשמל. ממיר AC/DC ראשוני מייצב את מתח הרשת AC למתח DC עם ממיר DC/DC אחד או יותר. לאחר מכן, ייצוב נוסף מביא את המתח הזה לרמה המתאימה לתוצר הסופי.

טופולוגיות עבור ממירי DC/DC יכולות להיות ליניאריות או ממותגות. מייצבים ליניאריים הם התקנים פשוטים וחסונים, אך הנצילות שלהם יורדת ככל שההפרש בין מתחי הכניסה והיציאה גדל. כמו כן, מייצבים ליניאריים יכולים רק להוריד מתח (Buck) ולא להגביר (Boost‏) או להפוך מתח. אי היכולת להגביר את המתח מותיר פוטנציאל לא-מנוצל בסוללות.

מייצבים ממותגים משתמשים באלמנט מיתוג שהוא מאופנן רוחב פולס (PWM) ובדרך כלל מורכב מ-MOSFET אחד או שניים עם אחד או שני משרנים וקבלים לאחסון אנרגיה ולסינון. הסיבות העיקריות לכך שהמתכננים בוחרים במייצב ממותג הן נצילות גבוהה וצפיפות הספק גבוהה. יתר על כן, המייצבים יכולים להגביר, להוריד ולהפוך מתחים.

האתגרים של המתכננים המשתמשים במייצבים ממותגים כוללים מורכבות התכן, העלות ובעיות EMI פוטנציאליות עקב אלמנטי המיתוג. אפשר לתכנן מייצב ממותג DC/DC מאפס, וגישה כזו יכולה לחסוך מעט עלות ומקום, אבל היא מורכבת וגוזלת זמן. החלופה היא לבחור מתוך מגוון רחב של מודולים מסחריים, כגון סדרת JMR של XP Power, המשלבת את האלמנטים העיקריים של מייצב ממותג בתוך התקן יחיד שהוא קומפקטי, אמין וקל לתכנון לתוך המוצר (איור 1).

איור 1‏: התקנים מודולריים כגון סדרת JMR‏ משלבים אלמנטים של מייצב ממותג DC/DC‏ בתוך התקן יחיד שהוא קומפקטי, אמין וקל לתכנון. (מקור התמונה: XP Power‏

בחירת ממיר DC/DC

ישנם גורמים רבים שיש להביא בחשבון בעת בחירת ממיר DC/DC. חלקם ברורים; לדוגמה, היישום יקבע את מתחי וזרמי הכניסה והיציאה. אחרים הם עם ניואנסים. לדוגמה, מקסום הנצילות מצריך התחשבות בפרופיל העומס הטיפוסי של המוצר הסופי. כמו כן, על המתכנן לבחון את עקומות הנצילות שבגיליון הנתונים עבור ממירי DC/DC שברשימת המועדפים כדי להבטיח שהמוצר הסופי יפעל לרוב בנקודת אופטימום הנצילות (Sweet Spot‏) של הממיר.

ה-JMR1024S05‏ של XP Power הוא דוגמה טובה לממיר DC/DC עבור יישום רפואי. ממיר זה הוא התקן רפואי אולטרה-קומפקטי, עם לוח מעגלים מודפסים (לוח PC‏) בגודל 20.3‏ x‏ 31.8‏ x‏ 10.2‏ מילימטרים (מ"מ) ומוליכי חור-עובר של 3 מ"מ. יש לו יציאה של V‏ 5‏ מכניסה נומינלית של V‏ 24‏ (V‏ 9‏ מינ', V‏ 36‏ מקס'). למודול יש זרם יציאה מקסימלי של 2 אמפר (A‏) וכניסת זרם עומס-מלא של 491 מילי-אמפר (mA‏). מתח אדוות היציאה הוא 75 מילי-וולט (mV) שיא-לשיא (pk-pk), והנצילות שלו היא 84.9%.

המודול הוא בעל צריכת הספק ללא-עומס נמוכה של mA‏ 6‏, המגבירה את הנצילות ומורידה את פיזור ההספק. ניתן להשיג חיסכון נוסף של mA‏ 3‏ בצריכת ההספק ללא-עומס על ידי השבתת המודול מרחוק (איור 2‏). המודול פועל כאשר פין 1 הוא מעגל פתוח, והמודול מושבת כאשר פין 1 מחובר למקור זרם של mA‏ 2‏ עד mA‏ 4‏, או אם מיישמים מתח של V‏ 2.2‏ עד V‏ 12‏ על פין 1‏ יחסית לפין 2‏.

איור 2‏: ניתן להפחית את צריכת ההספק ללא-עומס של ה-JMR1024S05‏ ל-mA‏ 3‏ על ידי השבתה מרחוק של המודול. (מקור התמונה: XP Power)

XP Power מציעה מספר חלופות בקו ה-10 וואט שלה. ה-JMR1048S12‏, לדוגמה, פועל מכניסה נומינלית של V‏ 48‏ (V‏ 18‏ עד V‏ 75‏) ומספק יציאה של V‏ 12‏ עם זרם יציאה מקסימלי של mA‏ 833‏. זרם הכניסה בעומס-מלא הוא mA‏ 237‏, וכאשר הוא פועל בתנאים אלו הנצילות היא 88%‏.

ה-JMR1012D15‏ פועל מכניסה נומינלית של V‏ 12‏ (V‏ 4.5‏ עד V‏ 18‏) ומספק יציאה של V‏ 15‏± עם זרם מקסימלי של mA‏ 333‏. זרם הכניסה בעומס-מלא הוא mA‏ 957‏, וכאשר הוא פועל בתנאים אלו הנצילות היא 87%‏.

תדר המיתוג עבור סדרת JMR‏ 10 וואט הוא 300 קילו-הרץ (kHz‏).

דרישות מיוחדות עבור יישומים רפואיים

מוצרים רפואיים דורשים מעבר לממיר DC/DC מכיוון שרכיבים חשמליים המשמשים במוצרים הסופיים כפופים לתקן הבטיחות הרפואית המחמיר IEC 60601-1‏.

בהתאם לתקן IEC 60601-1, "החלק המיושם" מוגדר כרכיב של ההתקן הרפואי הבא במגע ישיר עם מטופל, או שיש לו חלקים שצפויים לבוא במגע עם המטופל במהלך השימוש הרגיל במוצר. התקן מגדיר חלקים מיושמים בהתאם לסוג המגע עם המטופל ואופי ההתקן הרפואי.

סיווג Type B‏ ניתן לחלקים מיושמים שהם בדרך כלל לא-מוליכים ועשויים להיות מחוברים להארקה. סוג Type BF‏ (Body Floating‏, ציפת גוף) ניתן לחלקים מיושמים המחוברים חשמלית למטופל וחייבים להיות צפים ומופרדים מההארקה. Type BF‏ אינו מכסה חלקים מיושמים עם מגע ישיר ללב. סיווג Type CF‏ (Cardiac Floating‏, ציפת לב) ניתן לחלקים מיושמים המתאימים לחיבור לב ישיר. חלקים מיושמים Type CF‏ חייבים להיות צפים ומופרדים מההארקה.

התקנים רפואיים המחוברים למטופל נדרשים לספק אמצעי הגנה (MOP‏) כדי למנוע מחלקים מיושמים (וחלקים נגישים אחרים) מלחרוג מגבולות המתח, זרם או אנרגיה. חיבור הארקה מגן תואם מספק MOP‏ x‏ 1‏, בידוד בסיסי מספק גם MOP‏ x‏ 1‏ ובידוד מחוזק מספק MOP‏ x‏ 2‏.

בנוסף, ניתן לסווג את ה-MOP‏ כאמצעי הגנת מפעילים (MOOP‏) ואמצעי הגנת מטופלים (MOPP‏). בהתקנים המיועדים עבור חיבור למטופלים, נדרש ‎2 x MOPP‏.

ספקי כוח עבור התקנים רפואיים עם סיווגי Type BF‏ ו-Type CF‏ חייבים לספק ‎2 x MOPP‏ עבור ראשוני לשניוני ו-MOPP‏ x‏ 1‏ עבור ראשוני להארקה. בידוד בטיחות נוסף מכל יציאת שניוני של ספק הכוח להארקה חייב להיות בדירוג MOPP‏ x‏ 1‏ עבור מתח קו AC נכנס בעל הדירוג הגבוה ביותר. טבלה 1‏ מציגה את מרחקי Clearance‏ ו-Creepage‏ לאוויר, ואת מתחי הבדיקה עבור בידוד בסיסי (MOP‏ x‏ 1‏) ובידוד מחוזק (MOP‏ x‏ 2‏) בשני היישומים MOOP‏ ו-MOPP‏.

טבלה 1‏ מציגה את מרחקי Clearance‏ ו-Creepage‏ לאוויר, ואת מתחי הבדיקה עבור בידוד בסיסי (MOP‏ x‏ 1‏) ובידוד מחוזק (MOP‏ x‏ 2‏) בשני היישומים MOOP‏ ו-MOPP‏. (מקור הטבלה: XP Power‏)

בנוסף ל-MOP עבור יישומי MOOP ו-MOPP, ספק הכוח של התקן רפואי חייב להיות מתוכנן להגביל את זרם המגע, זרם עזר המטופל וזרם הזליגה למטופל. הערכים המקסימליים המותרים לזרם המגע הם 100 מיקרו-אמפר (μA) בתנאים רגילים ו-μA‏ 500‏ בתנאי תקלה יחידה (SFC‏). דרישה זו מגבילה למעשה את זרם הזליגה להארקה של המערכת ל-μA‏ 500‏ בפעולה רגילה.

הדרישות עבור זרם המגע, זרם עזר למטופל וזרם זליגת מטופל מהווים אתגר עבור המתכננים. עליהם להבטיח שספק הכוח מספק את הבידוד הבטיחותי הנדרש תוך מזעור זרמי זליגה בפעולה רגילה והגנה בתנאי תקלה על ידי בידוד החולה מההארקה.

לבסוף, ההתקן הרפואי חייב לעמוד בדרישות EMC המפורטות ב-IEC 60601-1-2. דרישות אלו מטרתן לשפר את חסינות הציוד מפני התקני תקשורת אלחוטית רבים הפועלים בסמוך לציוד קריטי לחיים. המטרה המשנית של הדרישות היא לספק הנחיות EMC עבור ציוד המשמש מחוץ לבית החולים כאשר יש נטייה לבקרה מועטה יותר על ה-EMC‏ של הסביבה.

השימוש בממיר DC/DC כדרגת בידוד שנייה

ניתן לצמצם את אתגרי התכנון של דרישות רפואיות מיוחדות על ידי בחירה קפדנית של ממיר DC/DC כדי לשלב דרגת בידוד שנייה. התוספת של דרגה זו מספקת בידוד בסיסי למתח קו AC. היא גם ממזערת את קיבוליות הכניסה-ליציאה (לבערך 20 עד 50 פיקו-פאראד (pF‏)), ומפחיתה את זרם הזליגה הפוטנציאלי למטופל למיקרו-אמפרים ספורים (איור 3‏).

איור 3: ניתן להשתמש בממיר DC/DC מורשה (מימין) עבור ייצוב המתח לחלק המיושם תוך מתן בידוד שניוני עבור MOPP‏ x‏ 1‏ ומזעור זרם הזליגה הפוטנציאלי למטופל. (מקור התמונה: XP Power)

לדוגמה, ממירי DC/DC‏ 10 וואט סדרת JMR‏ של XP Power‏ המתוארים לעיל הם בעלי הרשאת הסוכנות לבטיחות רפואית IEC 60601-1‏, בידוד מחוזק ל-AC‏ של 5 קילו-וולט עבור ‎2 x MOPP‏, קיבוליות בידוד של pF‏ 17‏, וזרם זליגה למטופל של μA‏ 2‏, המאפשרים אינטגרציה קלה לתוך מגוון רחב של יישומים רפואיים BF‏ ו-CF‏.

סינון EMC, הנדרש כדי לאפשר למוצר הסופי לעמוד בדרישות IEC 60601-1-2, ניתן להוסיף למעגל בין מערכת ההתקן הרפואי והבקרות לבין ממיר ה-DC/DC מבלי לפגוע בבידוד או בזרמי זליגה נמוכים. איור 4 ממחיש מעגלי סינון EMC מומלצים עבור נחשולים וטרנזיינטים חשמליים מהירים (EFT), ו-EMI Class B.

איור 4: מוצגים מעגלי סינון EMC מומלצים עבור נחשולים ו-EFT ו-EMI Class B לשימוש עם ממירי DC/DC סדרת JMR10. (מקור התמונה: XP Power)

טבלה 2 מציגה ערכי רכיבים מומלצים עבור מעגלים אלה כאשר משתמשים בהתקני סדרת JMR10 עם מתחי כניסה של V‏ 12‏, V‏ 24‏ ו-V‏ 48‏.

טבלה 2: מוצגים ערכי הרכיבים המומלצים עבור המעגלים המוצגים באיור 4. (מקור הטבלה: XP Power‏)

סיכום

ממירי DC/DC מודולריים ומשולבים ביותר מפשטים את התכנון של ספקי כוח אמינים ובעלי ביצועים גבוהים עבור מערכות רפואיות. ועדיין, המתכננים חייבים לבחור בקפידה התקן עם הרשאת IEC 60601-1 כדי להבטיח שהוא עומד בדרישות התקן לבטיחות המפעילים והמטופלים, כמו גם EMC.