Электропитание в белом халате: источники питания для медицинcкого оборудования

8 апреля 2014

MEAN WELLстатьяAC-DC

Далеко не всякий производитель источников питания способен выпускать изделия для медицины: здесь действуют высокие требования как к выходным электрическим параметрам, так и к электробезопасности – особенно в случае прямого контакта с органами сердечно-сосудистой системы. Известные компании MEAN WELL и TDK-Lambda предлагают широкие линейки продукции для медицины в различных типах корпусов и с разными степенями защиты.

На первый взгляд может показаться, что источники питания, применяемые в медицинском оборудовании, мало чем отличаются от изделий с теми же выходными характеристиками, рассчитанных для применения в промышленном оборудовании. Но к медицинскому оборудованию предъявляются куда более жесткие и высокие требования. Вызвано это в первую очередь требованиями обеспечения безопасности как пациента, так и оператора, работающего с этим оборудованием. Зачастую медицинское оборудование работает с сигналами очень низкого уровня, поэтому измерительные цепи могут быть крайне чувствительны к наличию электромагнитных помех. Следовательно, источники питания, применяемые в медицинском оборудовании, должны удовлетворять более высоким требованиям электромагнитной совместимости. В нашей стране требования к медицинскому оборудованию изложены в ГОСТ Р50267.0-92 «Изделия медицинские электрические. Часть I. Общие требования безопасности» и ГОСТ Р50267.0.2-95 «Изделия медицинские электрические. Часть I. Общие требования безопасности. 2. Электромагнитная совместимость. Требования и методы испытаний». В большинстве стран Европы и Северной Америки требования к медицинскому оборудованию изложены в стандартах IEC 60601.

В третьей версии стандарта IEC 60601 дается классификация составных частей медицинского оборудования; согласно данным этого документа элементы медицинской аппаратуры можно разделить на три основных типа в зависимости от применения:

Тип B (Body) – эта часть оборудования обеспечивает определенную стандартом степень защиты от поражения электрическим током. Протекание электрического тока через тело пациента в диагностических или лечебных целях не предусмотрено. К данному оборудованию можно отнести автоматические дозаторы таблеток, автоматизированные кровати, светильники в операционных палатах и т.п.

Тип BF (Body Floating) – часть оборудования, применяемая в непосредственной связи с пациентом, которая спроектирована и предназначена для снятия/доставки электроэнергии или электрофизиологического сигнала от/к пациенту (ЭКГ оборудование и т.п.).

Тип CF (Cardiac Floating) – часть оборудования, применяемая в непосредственной связи с пациентом, которая спроектирована и предназначена для снятия/доставки электроэнергии или электрофизиологического сигнала от/к пациенту и применяется в аппаратах прямого воздействия на сердце и органы сердечно – сосудистой системы (внешние электрокардиостимуляторы и т.п.).

Рассмотрим ключевые требования, описанные в этих стандартах. Пожалуй наиболее важным требованием является хорошая изоляция между первичной и вторичной электрической цепями, так как любой недочет в изоляции может стать причиной поражения электрическим током пациента и оператора. В стандарте IEC 60601 дана информация о минимальном расстоянии между первичными и вторичными цепями. Помимо требований к расстоянию особое внимание должно уделяться качеству используемого слоя изоляции. Качество изоляции проверяют тестированием диэлектрической прочности, при этом тестирование производится при напряжениях, которые значительно превосходят напряжения эксплуатации. Например, изоляция медицинских блоков питания, работающих от сети 220 В, должна выдерживать приложенное переменное напряжение в 4 кВ, в то время как в промышленных источниках питания этот показатель достигает значений в 3 кВ.

Источники питания, не удовлетворяющие этому требованию, могут стать частью так называемой системы с усиленной изоляцией, выступая в роли первого защитного барьера (рисунок 1). При этом следует помнить о соблюдении требования к токам утечки, о котором будет сказано далее.

Рис. 1. Система с двумя гальваническими развязками

Рис. 1. Система с двумя гальваническими развязками

Другим важным параметром медицинского оборудования является минимальный ток утечки, который в конечном оборудовании не должен превышать 300 мкА согласно требованиям международных стандартов. Опять же, приведем сравнение с промышленными блоками питания: оборудованием, установленным на предприятиях, пользуется здоровый человек, поэтому токи утечки, большие чем 300 мкА, не оказывают на пользователя влияния, медицинское же оборудование может использоваться в непосредственном контакте с ослабленным человеком, и выход за эти рамки может негативно сказаться на здоровье пациента.

Соблюдение требований к минимальным токам утечки является довольно сложной задачей, так как одновременно с этим необходимо соблюдать требования по электромагнитной совместимости. Сложность одновременного выполнения двух этих требований заключается в следующем: большинство современных источников питания являются импульсными, в основе их работы лежит быстрое переключение силового транзистора. Следовательно, такие источники питания генерируют кондуктивные и излучаемые электромагнитные помехи, для подавления которых обычно применяются многокомпонентные фильтры. Конденсаторы, используемые в этих фильтрах, привносят некоторый ток утечки, и чем эффективнее фильтр, тем выше этот ток. Поэтому необходимо искать компромисс между уменьшением электромагнитных помех и уменьшением токов утечки.

Улучшениия электромагнитной совместимости можно достичь не только за счет усиления фильтрации, но и за счет других методов. Как было сказано выше, импульсные помехи в современных источниках питания создаются за счет высокочастотных (десятки-сотни килогерц) переключений, а также из-за наличия паразитных емкостей в силовых коммутационных ключах, паразитных емкостей между вторичной и первичной цепями. В стандартных блоках питания используются силовые ключи с малым временем переключения. С одной стороны это позволяет снизить потери в моменты переключения, с другой – увеличивает создаваемые импульсные помехи. Поэтому в продвинутых блоках питания для улучшения ЭМС могут умышленно замедлять коммутацию за счет применения технологии «переключения при нулевом напряжении» (ZVS) или «мягкого переключения». При такой схеме перепады напряжения происходят где то за ~100 нс (в то время как в стандартных блоках это время может составлять 20 нс), за счет такого замедления значительно снижается количество создаваемых импульсных помех, и, с учетом соблюдения требований ЭМС к медицинской аппаратуре, для их фильтрации требуется меньший по размерам EMI-фильтр. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить габариты используемых конденсаторов, а следовательно – и токи утечки. Другим плюсом применения ZVS-метода переключения является удаление экранных обмоток между обмотками силового трансформатора (в обычных блоках питания экранные обмотки использовались для улучшения показателей ЭМС). Отсутствие экранных обмоток позволяет снизить габариты самого трансформатора, а следовательно, и блока питания в целом, а также повысить эффективность источника питания.

Для повышения характеристик источников питания разработчики улучшают параметры отдельных элементов этих блоков. Повысить эффективность источников питания удалось за счет применения карбид-кремниевых диодов, использования синхронных выпрямителей, корректоров коэффициента мощности, применения мультирезонансных эффектов. Все эти технологии позволяют получить качественные блоки питания, удовлетворяющие высоким требованиям международных стандратов.

Одними из лидеров в области разработки и производства блоков питания являются компании MEAN WELL и TDK-Lambda. Среди продукции этих компаний выделим источники питания, рассчитанные для медицинских применений. Номенклатура таких источников весьма разнообразна и может удовлетворить пожелания многих разработчиков.

В линейке продукции компании MEAN WELL можно найти источники питания мощностью от 5 до 600 Вт в различном конструктивном исполнении, от небольших блоков питания для монтажа на печатную плату до мощных источников питания в кожухе со встроенной системой охлаждения. Зачастую удобно использовать блоки питания в виде обычных сетевых адаптеров, которые также представлены в линейке. Медицинские источники питания MEAN WELL прошли сертификацию UL, CUL и TUV. Практически все источники питания обладают двухуровневой схемой защиты пациента (2 x MOPP), то есть могут применяться в оборудовании, находящемся в непосредственном контакте с пациентом. Блоки серии MSP обладают лишь одним уровнем защиты оператора. Блоки питания MeanWell для медицинского оборудования рассчитаны на работу от переменного напряжения 85…265 В частотой 47…440 Гц. Мощность собственного потребления варьируется в зависимости от серии и лежит в пределах от 0.1 до 0.75 Вт. Блоки питания обладают встроенной защитой от короткого замыкания, перегрузки по току, перегрузки по напряжению и защитой от перегрева.

Другой мировой лидер, компания TDK-Lambda, также предлагает высокоэффективные блоки питания для применения в медицинском оборудовании. Популярными являются одноканальные блоки питания серии HWS/ME, рассчитанные на применение в медицинском оборудовании. Приятной особенностью является то, что TDK-Lambda дает пожизненную гарантию на данные изделия. В серии представлены блоки с выходной мощностью от 30 до 1500 Вт. Блоки питания с мощностями от 30 до 600 Вт рассчитаны для работы от переменного напряжения напряжением от 85…265 В и частотой 47…63 Гц, либо от постоянного напряжения 120…370 В. Источники питания мощностью 1000 и 1500 Вт предназначены для работы лишь от переменного напряжения 85…265 В частотой 47…63 Гц. В среднем КПД данных блоков питания составляет 83%. Модели с мощностями от 300 Вт и выше обладают функциями удаленного включения/выключения, способны подключаться параллельно для совместной работы (вплоть до пяти источников питания). В источнике питания мощностью 1500 Вт есть возможность задавать выходное напряжение. Вся продукция прошла тщательную проверку на соответствие мировым стандартам по безопасности и электромагнитной совместимости, и обладает сертификатами UL60601-1, EN60601, CSA-C22.2 No. 6011-M90 (C-UL) (basic insulation), CE Mark – по электробезопасности, и EN55011/EN55022-B, FCC-B, VCCI-B (HWS600 & 1500 Class A) по ЭМС. В зависимости от модификации источники питания этой серии могут поставляться как в открытом исполнении, так и в кожухе. Все блоки питания серии обладают встроенной защитой от перегрузок по току и напряжению. Блоки питания серии HWS/ME рассчитаны на работу при температуре от -10 до 70°С. В блоках с мощностью выше 300 Вт предусмотрена схема принудительного охлаждения.

Помимо этой серии на сайте производителя представлены другие блоки питания для медицинского применения. Есть блоки питания в различном конструктивном исполнении, от маломощных для монтажа на печатную плату до мощных блоков с программируемым выходом, выполненных в отдельном корпусе. Медицинские источники питания компании TDK-Lambda рассчитаны для применения в оборудовании типа B (body) и BF (body floating).

В таблице 1 представлены основные параметры блоков питания производства компаний MeanWell и TDK-Lambda.

Требования, предъявляемые к электронному оборудованию, применяемому в медицине, постоянно растут. Источники питания, являющиеся неотъемлемой частью этого оборудования, также должны соответствовать этим стандартам. Компании MeanWell и TDK-Lambda предлагают широкий спектр блоков питания для медицинских устройств, способных удовлетворить самые взыскательные требования и создать надежную и безопасную систему электропитания.

Таблица 1. Основные параметры блоков питания

Модель Мощность, Вт Входное
напряжение, В АС
КПД Выходное напряжение, В Ток утечки, мкА Тип
защиты
Блоки питания в кожухе
MSP-450 450 85…264 До 89.5% 3.3, 5, 7.5, 12, 15, 24, 36, 48 Max 300 при 264 В MOOP
HWS-30/ME 30 85…265 До 86% 5, 12, 15, 24, 48 400 при 230 В MOOP
HWS-50/ME 50 85…265 До 85% 5, 12, 15, 24, 48 400 при 230 В MOOP
HWS-100/ME 100 85…265 До 87% 5, 12, 15, 24, 48 400 при 230 В MOOP
HWS-150/ME 150 85…265 До 88% 5, 12, 15, 24, 48 400 при 230 В MOOP
HWS-600/ME 600 85…265 До 86% 5, 12, 15, 24, 48 340 при 230 В MOOP
HWS-1000/ME 1000 85…265 До 88% 24, 36, 48 400 при 230 В MOOP
HWS-1500/ME 1500 85…265 До 90% 24, 36, 48 400 при 230 В MOOP
Открытые блоки питания
MPS-30 25…30 88…264 До 78% 5, 12, 15, 24, 27, 48 Max 200 при 264 В 2 х MOPP
MPS-45 26.4…48 90…264 До 78% 3.3, 5, 7.5, 12. 13.5, 15, 24, 27, 48 Max 250 при 264 В 2 х MOPP
MPS-65 39.6…64.8 90…264 До 80% 3.3, 5, 7.5, 12. 13.5, 15, 24, 27, 48 Max 250 при 264 В 2 х MOPP
MPS-120 120 90…264 До 82% 3.3, 5, 12, 15, 24, 48 Max 180 при 264 В MOOP
MPS-200 200 90…264 До 87% 3.3, 5, 12, 15, 24, 48 Max 180 при 264 В MOOP
Закрытые блоки питания с возможностью установки на печатную плату
PM-05 4.125…5.52 85…264 До 76% 3.3, 5, 12, 15, 24 Max 80 при 264 В 2 х MOPP
PM-10 8.25…10.08 85…264 До 79% 3.3, 5, 12, 15, 24 Max 80 при 264 В 2 х MOPP
PM-15 11.55…15.2 85…264 До 81% 3.3, 5, 12, 15, 24 Max 80 при 264 В 2 х MOPP
PM-20 14.8…22.0 85…264 До 84% 3.3, 5, 12, 15, 24 Max 100 при 264 В 2 х MOPP
Открытые блоки питания на печатную плату
NFM-05 4.125…5.52 85…264 До 76% 3.3, 5, 12, 15, 24 Max 80 при 264 В 2 х MOPP
NFM-10 8.25…10.08 85…264 До 79% 3.3, 5, 12, 15, 24 Max 80 при 264 В 2 х MOPP
NFM-15 15 85…264 До 81% 3.3, 5, 12, 15, 24 Max 80 при 264 В 2 х MOPP
NFM-20 20 85…264 До 84% 3.3, 5, 12, 15, 24 Max 100 при 264 В 2 х MOPP

 

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Mean_well_NE_04_14_opt

•••

Наши информационные каналы