השתמש בהתקני GaN‏ כדי לכווץ ספקי-כוח AC/DC רפואיים חיצוניים ‏

למרות התקדמות בטכנולוגיית סוללות ומעגלי הספק-נמוך, מערכות רפואיות הן אחד מהיישומים הרבים בהם תכני סוללה-בלבד, משוחררים מכל כבל חשמל, לא יכולים להיות אפשריים, מעשיים או מקובלים. במקום זה, הציוד חייב לפעול לרוב ישירות מרשת‏ AC‏ או לפחות שיהיה מסוגל לסמוך על ‏שקע AC כדי לתפקד כשהסוללות חלשות.

נוסף לכך, כדי לעמוד במפרטי ביצועים בסיסיים של ספק-כוח AC/DC‏, ספקי-כוח רפואיים חייבים לעמוד בדרישות רגולטוריות משיקולי ביצועים פחות ברורים כגון בידוד גלווני, דירוגי מתח, זרם זליגה, ואמצעי הגנה (MOP). תקנים אלה נקבעו כדי להבטיח שהיחידה המוזנת אינה מעמידה את המפעיל או את המטופל בסכנה, אפילו אם יש תקלות באספקה או בעומס. במקביל, מתכננים של‏ ספקי-כוח רפואיים חייבים להמשיך לשפר נצילות ולהקטין גודל ומשקל.

מאמר זה דן בשימוש בספקי‏ AC/DC‏ חיצוניים במכשירים רפואיים וסוקר תקנים רגולטוריים קשורים. אחר כך מציג מוצרים מבית XP Power בהם מתכננים יכולים להשתמש כדי לעמוד בתקנים אלה, תוך כדי ניצול‏ התקני הספק גליום ניטריד (GaN)‏ כדי להקטין את הגודל הפיזי של הספק בכמעט חצי.

דרישות בסיסיות לתכנון ספק-כוח

בחירת ספק‏ AC/DC‏ מתחילה במדדי הביצועים של ספק-כוח סטנדרטי. ספק-הכוח חייב לספק את מתח ה-DC‏ הנומינלי ולהיות מסוגל לספק את הזרם הנקוב באותו המתח כדי לתמוך בעומס. ספק-כוח‏ אוניברסלי חייב להיות מסוגל לקבל תחום רחב של מתחי כניסה AC (בדרך כלל 85 וולט AC‏ (VAC‏) עד VAC‏ 264‏) בתדרים מ-47 עד 63 הרץ (Hz‏).

דירוגי מתח וזרם כניסה ויציאה אלה הם קריטיים, אך לא-מספיקים כדי להגדיר לחלוטין ספק-כוח. שיקולים אחרים כוללים:

• מאפייני ביצועים דינמיים, כגון שיהוי בהפעלה, זמן עלייה בהפעלה, זמן עיכוב, ייצוב קו ועומס, הענות לטרנזיינט, אדווה ורעש ו-Overshoot‏
• הגנה מפני עומס-יתר, קצר חשמלי וטמפרטורת-יתר
• דרישות נצילות, שהן‏ פונקציה של דירוג ההספק המקסימלי של ספק-הכוח והן חייבות להיות בעלות ערכים מסוימים לאורך עקומת העומס, כולל נקודות עומס מלא, עומס נמוך והעדר עומס
• גורם הספק (RF) קרוב ליחידה, היכן שמספר ה-PF המסוים הוא פונקציה של רמת ההספק ותקן רגולטורי מפקח
• תאימות אלקטרומגנטית (EMC‏) המאפיינת את ההפרעה האלקטרומגנטית (EMI‏)/הפרעת תדר-הרדיו (RFI‏) המקסימלית של ספק-הכוח כמו גם רגישותו לפריקה אלקטרוסטטית (ESD‏), אנרגיה מוקרנת, אירועי פריצת (burst) אנרגיה, נחשולי קו רשת ושדות מגנטיים
• בטיחות, שמגדירה דרישות בסיסיות להגנת‏ המשתמש והציוד, כולל מתח בידוד בין כניסה ויציאה, כניסה להארקה ויציאה להארקה

דרישות מספקי-כוח רפואיים

דרישות רגולטוריות ותקנים נוספים מסבכים עוד יותר את העניינים כשמעריכים‏ ספק-כוח עבור יישומים רפואיים. אלה מתייחסים בעיקר לבטיחות מטופלים ומפעילים, להבטיח שספק-הכוח לא יסכן אף אחד מהם במקרה של כשל תקלה יחידה ואפילו תקלה כפולה.

חלק גדול מהחשש קשור לזרמים תועים או זולגים. מתח רשת סטנדרטי (110/230 וולט; 50 או ‎60 Hz) לרוחב החזה, אפילו לשבר שניה‏, עלול לגרום לפרפור חדרי לב (ventricular fibrillation) בזרמים נמוכים עד כדי 30 מיליאמפר (mA‏). אם לזרם יש נתיב ישיר ללב, כמו למשל דרך צנתר לב או אלקטרודה אחרת,‏ זרם נמוך בהרבה של פחות מ-‎1 mA‏ (AC או DC) יכול לגרום לפרפור.

להלן מספר ספים סטנדרטיים המצותתים בדרך כלל עבור זרם דרך גוף האדם על ידי מגע במשטח-עור, ומספרי הסכנה הם הרבה יותר נמוכים עבור מגע פנימי:  

• ‎1 mA: בקושי מורגש
• ‎16 mA‏: זרם מקסימלי שאדם בגודל ממוצע יכול "לאחוז" ו"לשחרר"
• ‎20 mA: שיתוק של שרירי נשימה
• ‎100 mA: סף פרפור חדרי לב (ventricular fibrillation)
• ‎2 A: דום לב (Cardiac standstill) ונזק לאיבר פנימי

רמות הסיכון הן גם פונקציה של נתיב זרימת הזרם בין שתי נקודות מגע עם הגוף, לרוחב או דרך החזה, או מזרוע למטה לרגליים. זו הסיבה מדוע מזעור זרמי זליגה העוברים דרך הבידוד הדיאלקטרי של‏ שנאי בידוד AC הוא קריטי.

אולי נראה שכמות זרם הזליגה הוא זניח במקרה של בידוד איכותי נאות. עם זאת, בעוד זליגה זו יכולה להיות זרם ה"זולג" פיזית בשל האופי הלא מושלם של הבידוד, היא יכולה להיות גם תוצאה של זרמים מצומדים קיבולית היכולים לחצות אפילו בידוד יוצא מן הכלל.

מודל מפושט של שנאי אידיאלי מראה בידוד גלווני (אוהמי) מושלם בין הצד הראשוני והשניוני שלו (איור 1).‏

איור 1‏: מודל בסיסי של‏ שנאי מראה שאין נתיב זרם מצד ראשוני לצד שניוני. (מקור תמונה: Power Sources Manufacturers Association‏)

בשנאי אידיאלי זרם לא יכול לזרום באופן ישיר מרשת ה-AC‏ אל המוצר המוזן, ובכך ליצור חוג זרימת זרם שלם חזרה לרשת ה-AC, ‏אפילו אם תקלת רכיב או חיווט תספק נתיב זרם חדש בצד השניוני. עם זאת, אין שנאי שהוא מושלם, וקיבוליות בין-ליפופית מראשוני-לשניוני היא מצופה (איור 2‏).

איור 2‏: מודל שנאי מציאותי יותר מראה קיבוליות בין-ליפופית בסיסית (C_ps1) בין הצד הראשוני והצד השניוני. (מקור תמונה: Power Sources Manufacturers Association‏)

מודל עוד יותר מתוחכם מוסיף מקורות נוספים של קיבוליות בין-ליפופית (איור 3)‏.

איור 3‏: ישנן קיבוליויות שנאי אחרות בנוסף לבין-ליפופית הראשונה (C_ps1). (מקור תמונה: Power Sources Manufacturers Association‏)

קיבוליות בלתי-רצויה זו מאפשרת את הזרימה של זרם זליגה, וערכה הוא‏ פונקציה של משתנים רבים, כגון מידות התיל, תבנית ליפוף וגאומטריית שנאי. הערך יכול לנוע בין נמוך עד כדי 1 פיקו-פאראד (pF) עד מספר מיקרו-פאראד (µF‏). בנוסף לזליגה מבוססת-קיבוליות של שנאי, מקורות אחרים של קיבוליויות לא מכוונות הם מרווחים על לוחות מעגל מודפס (לוחות pc), בידוד בין מוליכים למחצה וגופי-קירור מוארקים, ואפילו השפעות פרזיטיות בין רכיבים אחרים.

זרם זליגה של שנאי בשל קיבוליות אינו הדאגה היחידה שתקנות ספק-כוח רפואי מתייחסות אליו. בטיחות AC בסיסית ובידוד חשמלי הם בעדיפות. תלוי ברמות מתח והספק, יכול להיות שספקים צריכים גם מחסום בידוד חשמלי עצמאי שני בנוסף למחסום הראשוני (או בידוד מחוזק פיזית). ביצועי בידוד חשמלי גם מתדרדרים לאורך זמן בשל טמפרטורות קיצוניות, מאמצים בשל מתח גבוה ונחשולי מתח, אם כי עשויים עדיין לעמוד בדירוגים שלהם.

השכבה הראשונה של בידוד חשמלי נקראת בדרך כלל "בידוד בסיסי". דוגמה אחת היא‏ בידוד חשמלי של תיל. השכבה השנייה ‏לרוב היא מעטפת מבודדת, כפי שנראה בספקי-כוח שולחניים ומותקנים-על-קיר רבים.

תקנים ואמצעי הגנה (MoP)

התקן העיקרי השולט על אלקטרוניקה רפואית ובטיחות הוא IEC 60601-1‏. המהדורה העדכנית ביותר (הרביעית) מרחיבה את המיקוד במטופל על ידי דרישה לאמצעי הגנה (MOP) כולל המשלב אחד או יותר "אמצעי הגנה על מפעיל" (MOOP) ו"אמצעי הגנה על מטופל" (MOPP).

תקנים רגולטוריים יצרו גם קטגוריות הגנה סביב השאלה כיצד מסופק MOOP. קטגוריות אלו מצוינות כ-Class I ו-Class II‏ ושולטות על הבנייה והבידוד החשמלי של‏ ספקי-כוח. מוצר Class I הוא בעל שלדה מוליכה המחוברת להארקת אדמה לבטיחות. כדי לפשט תאימות תקע קיר מקומי, לספק-הכוח יש שקע IEC320-C14‏ עבור כבל חשמל מסופק-משתמש עם מוליך הארקת אדמה לבטיחות‏ (איור 4‏, שמאל).

לעומת זאת, לספקי-הכוח Class II‏ יש‏ כבל חשמל דו-חוטי עם חיבור‏ הארקת בטיחות (איור 4‏, ימין). בשל העדר שלדה מוארקת, ישנן שתי שכבות של בידוד חשמלי (או שכבה אחת של בידוד חשמלי מחוזק) בין המשתמש לבין המוליכים הפנימיים הנושאים זרם.

איור 4‏: יחידות Class I (שמאל) ו-Class II‏ (ימין) הן בעלות חיבורי רשת AC תלת-חוטי מוארק או דו-חוטי לא מוארק, ולרוב משתמשים בהן עם שקעי IEC‏ סטנדרטיים וכבלי חשמל מסופקים על ידי משתמש. (מקור תמונה: XP Power)

התוצאה היא שכל ספק AC/DC‏ המיועד עבור יישומים רפואיים ומוסמך כ-Class I או Class II‏ חייב להיות מתוכנן ונבדק במיוחד לתקנים הרלוונטיים. למרבה המזל, ספקים של ספקי-כוח כמו XP Power מבינים את הסוגיות הטכניות, הייצור וההסמכה הכרוכות בלספק ספקי-כוח העומדים בתקנים אלה.

הגודל קובע גם כן

הדרישות הטכניות והצווים הרגולטוריים הנכפים על ספקים רפואיים AC/DC‏ אינם עוסקים בגודל הפיזי, למרות שגודל הוא חשוב. ספקי-כוח גדולים מסבכים את סידור העבודה במקום שבו החלל‏ מוגבל, כמו באמבולנס או מסגרת קלינית בה המקום על עגלה ניידת או על שולחן הוא מוגבל.

הקטנת הגודל של ספק-הכוח‏ AC/DC‏ תהיה מועילה במצבים אלה, אך היא מהווה‏ אתגר. ממדי ספק-כוח מינימליים מוגבלים על ידי הצורך לדבוק בהנחיות רגולטוריות המכסות בידוד חשמלי, מרחק זחילת זרם (Creepage) ומרווח בין הדקים (Clearance).

בעיה אחרת עם כיווץ ספק-הכוח היא פיזור תרמי. אם הנפח ושטח הפנים של המארז של ספק-כוח אינם מספיקים, הטמפרטורה הפנימית שלו תהיה גבוהה יותר משל ספק-כוח גדול יותר, וזה יגרום לדגרדציה של רכיבים פנימיים אקטיביים, פסיביים ומבודדים. קירור אוויר-מאולץ לא מקובל בגלל חסימות זרם-אוויר פוטנציאליות, חששות אמינות לטווח ארוך ותוספת רעשי סביבה.

זאת ועוד, החום המופק עלול לגרום לטמפרטורת משטח של המארז לעלות מעל למקובל, ולהוות סיכון למטופלים ולמפעילים. המפתח לכיווץ ספקי-כוח הוא להשתמש ברכיבי מיתוג-מעגל מתאימים כדי להקטין למינימום חום מופק.

זהו היכן‏ שהתקני מיתוג מבוססי-GaN‏ מציעים יתרונות מובהקים על סיליקון (Si‏). ההתנגדות הטורית הנמוכה יותר שלהם, זמני מיתוג מהירים יותר ומטען התאוששות-אחורנית נמוך יותר מקטינים הפסדים, וכתוצאה מכך מקבלים ספק ממותג קומפקטי, יעיל וקר יותר.

דוגמה אחת היא AQM200PS19 מסדרת AQM של XP-Power. ספק-הכוח מדורג‏ 19‏ וולט/‏10.6 אמפר (A‏) לעבודת Class I. גודל היחידה הוא בערך 167 × 54 × 33 מילימטר (mm), שהוא מחצית הגודל של ספק-כוח מסורתי בדרוג זה, ומשקלו 600 גרם (g) בלבד (איור 5‏).

איור 5‏: ה-AQM200PS19 ‏הוא יחידת 200‎ ואט Class I המספקת 19‏ וולט ועד ‎10.6 A‏ עם נצילות של 92%. (מקור תמונה: XP Power)

ספק-כוח חיצוני זה ‏מאושר במלואו לתקנים רפואיים בינלאומיים. הפרמטרים החשמליים כוללים זרם זליגה מטופל שהוא פחות מ-100 מיקרו-אמפר (µA‏), נצילות‏ אופיינית של 92%, צריכת הספק‏ מצב-המתנה של‏ פחות מ-0.15‏ ואט‏ ו-PF של‏ >0.9.

זמין בגרסאות Class I ו-Class II‏, ספק-הכוח מדורג‏ לעבודה מ-°‏0‏ עד ‎60°C. הוא מתאפיין‏ במארז אטום לחלוטין התואם עם דירוג IP22‏, וגימור המשטח החלק שלו מסייע לניקוי קל יותר בתנאי סביבה רפואיים.

עבור מערכות הספק-גבוה יותר, ל-XP Power יש את ה-AQM300PS48-C2, יחידת 300‏ ואט‏, Class II‏, מדורגת עבור יציאה של 48 וולט‏/‎6.25 A‏ וצריכת הספק מצב-המתנה‏ מתחת ל-‏0.5‏ ואט‏. למרות שבמעט גדול יותר, ספק זה הוא עדיין קומפקטי, במידות 183 × 85 × 35 מ"מ בלבד, ושוקל 1,050‎ g.

בדירוג של 250 ואט, XP Power מציעה את ה-AQM250PS24, ספק-כוח‏ 24‏ וולט‏/‎10.4 A‏, Class 1,‏ עם‏ צריכת הספק מצב-המתנה מתחת ל-‏0.15‏ ואט‏. מידותיו 172 ×‏ 67.1 ×‏ 32‏ מ"מ.

סיכום

ספקי-כוח AC/DC עצמאיים, חיצוניים, עבור ציוד רפואי חייבים לעמוד בדרישות רגולטוריות, תפעוליות ושל ביצועים, בטיחות ונצילות קפדניות. סדרת ה-AQM‏ של ספקים חיצוניים בדירוג רפואי מבית XP Power עולה על דרישות אלו על ידי שימוש בהתקני GaN‏, והתוצאה היא‏ חבילה כוללת במחצית גודלה של יחידת Si‏ קלאסית.