Auswahl und Einsatz des optimalen DC/DC-Wandlers für medizinische Anwendungen

Die Entwicklung einer Spannungsversorgung, die mit Netzstrom oder Batterien betrieben wird, ist kompliziert. Es muss eine Lösung entwickelt werden, die eine stabile Spannung und einen stabilen Strom bei unterschiedlichen Lasten liefert und gleichzeitig effizient arbeitet, um die Verlustleistung zu minimieren. Wenn die Stromversorgung jedoch für ein medizinisches Produkt bestimmt ist, wird die Konstruktion aufgrund der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), der strengen Sicherheitsanforderungen hinsichtlich des elektrischen Kontakts mit einem Patienten und des Schutzes vor elektromagnetischen Störungen (EMI) noch komplizierter.

Die Erfüllung dieser Anforderungen ist für eine von Grund auf entwickelte medizinische Stromversorgungen kostspielig und zeitaufwändig. Handelsübliche modulare DC/DC-Wandler sind eine Alternative, aber bei der Auswahl und Anwendung dieser Lösungen ist Vorsicht geboten.

Dieser Artikel beschreibt kurz die Rolle eines DC/DC-Wandlers in einem Stromversorgungsschaltkreis und umreißt die Auswahlkriterien und besonderen Überlegungen, die für medizinische Anwendungen erforderlich sind. Anschließend werden Beispielkomponenten von XP Power vorgestellt und ein Anwendungsmodell gezeigt.

Die Rolle eines DC/DC-Wandlers

Während Batterien mit einer Nennspannung angegeben werden, wird die tatsächliche Spannung durch Faktoren wie Ladezustand, Spitzenbedarf und Temperatur beeinflusst. Ein wesentliches Merkmal ist, dass die Ausgangsspannung mit der Entladung der Batterie abnimmt. ICs und andere empfindliche Komponenten benötigen jedoch eine konstante Spannung, um korrekt zu funktionieren. Ein DC/DC-Wandler bietet eine Lösung, indem er die Eingangsspannung so regelt, dass eine zuverlässige und konsistente Ausgangsspannung (oder Ausgangsspannungen) zur Versorgung des Endprodukts bereitgestellt wird.

DC/DC-Wandler sind auch in netzgespeisten Produkten üblich. Ein erster AC/DC-Wandler regelt die Wechselspannung mit einem oder mehreren DC/DC-Wandlern in eine Gleichspannung um. Durch eine weitere Regulierung wird diese Spannung dann auf ein für das Endprodukt geeignetes Niveau gebracht.

Topologien für DC/DC-Wandler können linear oder schaltend sein. Linearregler sind einfache und robuste Komponenten, deren Effizienz jedoch mit zunehmender Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung abnimmt. Außerdem können lineare Regler die Spannung nur reduzieren (Buck), aber nicht erhöhen (Boost) oder invertieren. Da die Spannung nicht erhöht werden kann, bleibt das Potenzial der Batterien ungenutzt.

Schaltregler verwenden ein pulsweitenmoduliertes Schaltelement (PWM), das in der Regel aus einem oder zwei MOSFETs besteht, die mit einer oder zwei Induktivitäten und Kondensatoren zur Energiespeicherung und Filterung gekoppelt sind. Die Hauptgründe für die Wahl von Schaltreglern sind hohe Effizienz und hohe Leistungsdichte. Außerdem können die Regler Spannungen erhöhen, reduzieren und invertieren.

Zu den Herausforderungen bei der Verwendung von Schaltreglern gehören die Komplexität des Designs, die Kosten und mögliche EMI-Probleme aufgrund der Schaltelemente. Es ist möglich, einen DC/DC-Schaltregler von Grund auf neu zu entwickeln, und ein solcher Ansatz kann Kosten und Platz sparen, ist aber komplex und zeitaufwändig. Eine Alternative ist die Wahl eines der vielen kommerziellen Module, wie z.B. die JMR-Serie von XP Power, die die Hauptelemente des Schaltreglers in einer einzigen Komponente integrieren, die kompakt, zuverlässig und einfach in ein Produkt zu integrieren ist (Abbildung 1).

Abbildung 1: Modulare Komponenten wie die der JMR-Serie integrieren die Hauptelemente eines DC/DC-Schaltreglers in einem einzigen Bauteil, das kompakt, zuverlässig und einfach zu implementieren ist. (Bildquelle: XP Power)

Auswahl eines DC/DC-Wandlers

Bei der Auswahl eines DC/DC-Wandlers sind viele Faktoren zu berücksichtigen. Einige sind offensichtlich, z. B. bestimmt die Anwendung die Eingangs- und Ausgangsspannungen sowie den Eingangs- und Ausgangsstrom. Andere sind nuancierter. Die Maximierung der Effizienz erfordert beispielsweise die Berücksichtigung des typischen Lastprofils des Endprodukts. Außerdem sollten die Wirkungsgradkurven in den Datenblättern der in die engere Wahl kommenden DC/DC-Wandler geprüft werden, um sicherzustellen, dass das Endprodukt generell im optimalen Wirkungsgrad-Bereich des Wandlers arbeitet.

Der JMR1024S05 von XP Power ist ein gutes Beispiel für einen DC/DC-Wandler für eine medizinische Anwendung. Dieser Wandler ist ein ultrakompaktes, auf einer Leiterplatte montiertes medizinisches Bauteil mit den Maßen 20,3 x 31,8 x 10,2 Millimeter (mm) und 3 mm langen Pins. Er bietet einen Ausgang von 5 V bei einer Nenneingangsspannung von 24 V (min. 9 V, max. 36 V). Das Modul bietet einen maximalen Ausgangsstrom von 2 Ampere (A) und einen Volllast-Eingangsstrom von 491 Milliampere (mA). Die Ausgangswelligkeit beträgt 75 Millivolt (mV) Spitze-Spitze (pk-pk), der Wirkungsgrad liegt bei 84,9 %.

Das Modul zeichnet sich durch einen niedrigen Leerlaufstromverbrauch von 6 mA aus, was die Effizienz erhöht und die Verlustleistung senkt. Eine weitere Stromeinsparung von 3 mA bei Leerlauf kann durch Fernsperren des Moduls erzielt werden (Abbildung 2). Das Modul ist eingeschaltet, wenn Pin 1 ein offener Stromkreis ist; das Modul ist ausgeschaltet, wenn Pin 1 mit einer Stromquelle von 2 mA bis 4 mA verbunden ist oder wenn 2,2 V bis 12 V an Pin 1 relativ zu Pin 2 angelegt werden.

Abbildung 2: Der Leerlaufstromverbrauch des JMR1024S05 kann durch Fernsperren des Moduls auf 3 mA reduziert werden. (Bildquelle: XP Power)

XP Power bietet mit seiner 10-Watt-Linie Alternativen an. Der JMR1048S12 beispielsweise arbeitet mit einem nominalen 48V-Eingang (18 V bis 75 V) und liefert einen 12V-Ausgang mit einem maximalen Ausgangsstrom von 833 mA. Der Volllast-Eingangsstrom beträgt 237 mA, und bei diesem Betriebszustand liegt der Wirkungsgrad bei 88 %.

Der JMR1012D15 arbeitet mit einem nominalen 12V-Eingang (4,5 V bis 18 V) und liefert einen ±15V-Ausgang mit einem maximalen Strom von 333 mA. Der Volllast-Eingangsstrom beträgt 957 mA, und bei diesem Betriebszustand liegt der Wirkungsgrad bei 87 %.

Die Schaltfrequenz für die 10-Watt-JMR-Serie beträgt 300 Kilohertz (kHz).

Besondere Anforderungen für medizinische Anwendungen

Medizinische Produkte stellen höhere Anforderungen an einen DC/DC-Wandler, da die in den Endprodukten verwendeten elektrischen Komponenten der strengen medizinischen Sicherheitsnorm IEC 60601-1 unterliegen.

Gemäß IEC 60601-1 ist das „Anwendungsteil“ definiert als das Element der medizinischen Komponente, die in direkten Kontakt mit einem Patienten kommt oder Teile hat, die wahrscheinlich während der normalen Verwendung des Produkts mit dem Patienten in Kontakt kommen. Die Norm definiert Anwendungsteile entsprechend der Art des Patientenkontakts und der Beschaffenheit des Medizinprodukts.

Die Klassifizierung des Typs B gilt für Anwendungsteile, die im Allgemeinen nicht leitend sind und mit der Erde verbunden werden können. Der Typ BF (Body Floating) gilt für Anwendungsteile, die elektrisch mit dem Patienten verbunden sind und erdfrei und von der Erde getrennt sein müssen. Der Typ BF deckt keine Anwendungsteile mit direktem Kontakt zum Herzen ab. Der Typ CF (Cardiac Floating) bezieht sich auf Anwendungsteile, die für den direkten Anschluss an das Herz geeignet sind. Anwendungsteile vom Typ CF müssen erdfrei und von der Erde getrennt sein.

Medizinische Geräte, die an Patienten angeschlossen werden, müssen mit Schutzvorrichtungen (MOP) ausgestattet sein, um zu verhindern, dass Anwendungsteile (und andere zugängliche Teile) die Grenzen von Spannung, Strom oder Energie überschreiten. Ein vorschriftsmäßiger Schutzleiteranschluss bietet 1 x MOP, eine Basisisolierung bietet ebenfalls 1 x MOP und eine verstärkte Isolierung bietet 2 x MOP.

MOP kann weiter unterteilt werden in Schutzmaßnahmen für Bedienpersonal (MOOP) und Schutzmaßnahmen für Patienten (MOPP). Bei Geräten, die für den Anschluss an Patienten vorgesehen sind, ist 2 x MOPP erforderlich.

Stromversorgungen für medizinische Geräte mit den Klassifizierungen BF und CF müssen 2 x MOPP von primär zu sekundär und 1 x MOPP von primär zu Erde bieten. Die zusätzliche Sicherheitstrennung von jedem Sekundärausgang des Netzteils gegen Erde muss ebenfalls mit 1 x MOPP für die höchste eingehende Netzwechselspannung ausgelegt sein. Tabelle 1 zeigt Luft- und Kriechstrecken sowie Prüfspannungen für die Basisisolierung (1 x MOP) und die verstärkte Isolierung (2 x MOP) in MOOP- und MOPP-Anwendungen.

Tabelle 1: Die Luft- und Kriechstrecken sowie die Prüfspannungen für die Basisisolierung (1 x MOP) und die verstärkte Isolierung (2 x MOP) in MOOP- und MOPP-Anwendungen sind dargestellt. (Quelle der Tabelle: XP Power)

Zusätzlich zum MOP für MOOP- und MOPP-Anwendungen muss die Stromversorgung für ein medizinisches Gerät so ausgelegt sein, dass der Berührungsstrom, der Patientenhilfsstrom und der Patientenleckstrom begrenzt werden. Die maximal zulässigen Werte für den Berührungsstrom betragen 100 Mikroampere (μA) unter normalen Bedingungen und 500 μA bei einem einzelnen Fehlerzustand (SFC). Durch diese Anforderung wird der Erdleckstrom des Systems im Normalbetrieb auf 500 μA begrenzt.

Die Anforderungen an den Berührungsstrom, den Patientenhilfsstrom und den Patientenleckstrom stellen eine Herausforderung dar. Sie müssen sicherstellen, dass die Stromversorgung die erforderliche Sicherheitsisolierung bietet und gleichzeitig die Leckströme im Normalbetrieb und den Schutz im Fehlerfall durch Isolierung des Patienten von der Erde minimiert.

Schließlich muss das Medizinprodukt die EMV-Anforderungen der IEC 60601-1-2 erfüllen. Diese Anforderungen zielen darauf ab, die Störfestigkeit von Geräten gegenüber den vielen drahtlosen Kommunikationsgeräten zu verbessern, die in der Nähe von lebenswichtigen Geräten betrieben werden. Das sekundäre Ziel der Anforderungen besteht darin, einen EMV-Leitfaden für Geräte bereitzustellen, die außerhalb des Krankenhauses verwendet werden, wo die EMV-Umgebung in der Regel weniger kontrolliert werden kann.

Verwendung eines DC/DC-Wandlers als zweite Isolationsstufe

Die konstruktiven Herausforderungen spezieller medizinischer Anforderungen können durch die sorgfältige Auswahl eines DC/DC-Wandlers zur Einführung einer zweiten Isolationsstufe entschärft werden. Durch den Einbau dieser Stufe wird eine Basisisolierung bei Netzwechselspannung erreicht. Außerdem wird die Eingangs-zu-Ausgangskapazität minimiert (auf etwa 20 bis 50 Picofarad (pF)), was wiederum den potenziellen Patientenleckstrom auf wenige Mikroampere reduziert (Abbildung 3).

Abbildung 3: Ein zugelassener DC/DC-Wandler (rechts) kann zur Spannungsregulierung für das Anwendungsteil verwendet werden, während er eine sekundäre Isolierung für 1 x MOPP bietet und den potenziellen Patientenleckstrom minimiert. (Bildquelle: XP Power)

Die oben beschriebenen 10-Watt-DC/DC-Wandler der JMR-Serie von XP Power verfügen beispielsweise über eine Zulassung der medizinischen Sicherheitsagentur nach IEC60601-1, eine verstärkte 2xMOPP-Isolierung von 5 Kilovolt (kV) AC, eine Isolationskapazität von 17 pF und einen Patientenleckstrom von 2 μA, was eine einfache Integration in eine breite Palette von medizinischen BF- und CF-Anwendungen ermöglicht.

Die EMV-Filterung, die erforderlich ist, damit das Endprodukt die Anforderungen der IEC 60601-1-2 erfüllt, kann in den Schaltkreis zwischen dem medizinischen Gerätesystem und den Steuerungen und dem DC/DC-Wandler eingefügt werden, ohne dass die Isolierung oder die geringen Leckströme beeinträchtigt werden. Abbildung 4 zeigt die empfohlenen EMV-Filterschaltungen für Überspannungen und schnelle elektrische Transienten (EFT) sowie EMI Klasse B.

Abbildung 4: Abgebildet sind empfohlene EMV-Filterschaltungen für Überspannungen und EFT sowie EMI Klasse B zur Verwendung mit DC/DC-Wandlern der Serie JMR10. (Bildquelle: XP Power)

Tabelle 2 zeigt die empfohlenen Komponentenwerte für diese Schaltungen bei Verwendung der Bauelemente der Serie JMR10 mit Eingangsspannungen von 12 V, 24 V und 48 V.

Tabelle 2: Angegeben sind die empfohlenen Komponentenwerte für die in Abbildung 4 dargestellten Schaltungen. (Quelle der Tabelle: XP Power)

Fazit

Modulare und hochintegrierte DC/DC-Wandler vereinfachen das Design von zuverlässigen, leistungsstarken Stromversorgungen für medizinische Systeme. Dennoch muss eine Komponente mit IEC60601-1-Zertifizierung sorgfältig ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass es die Anforderungen der Norm an die Bediener- und Patientensicherheit sowie an die EMV erfüllt.