Sélectionner et appliquer le convertisseur CC/CC optimal pour les applications médicales

Concevoir une alimentation fonctionnant sur secteur ou sur batterie est compliqué. Le concepteur doit développer une solution qui fournit une tension et un courant stables sur des charges variables tout en fonctionnant efficacement pour minimiser la dissipation de puissance. Cependant, si l'alimentation est destinée à un produit médical, la conception est encore plus compliquée en raison de la compatibilité électromagnétique (CEM), des exigences de sécurité strictes concernant le contact électrique avec un patient, et de la protection contre les interférences électromagnétiques (EMI).

Le respect de ces exigences implique des coûts et des délais considérables pour les concepteurs qui développent des alimentations médicales à partir de zéro. Les convertisseurs CC/CC modulaires commerciaux sont une alternative, mais la prudence est de mise lors du choix et de l'utilisation de ces solutions.

Cet article décrit brièvement le rôle d'un convertisseur CC/CC dans un circuit d'alimentation et expose les critères de sélection et les considérations particulières nécessaires pour les applications médicales. Il présente ensuite des exemples de dispositifs de XP Power et montre un modèle d'application.

Rôle d'un convertisseur CC/CC

Bien que les batteries soient répertoriées avec une tension nominale, la sortie est affectée par des facteurs tels que l'état de charge, la demande de crête et la température. Une caractéristique clé est que la tension de sortie diminue à mesure que la batterie se décharge. Or, les circuits intégrés et autres composants sensibles requièrent une tension constante pour fonctionner correctement. Un convertisseur CC/CC offre une solution en régulant la tension d'entrée pour fournir une sortie (ou des sorties) de tension fiable(s) et constante(s) pour alimenter le produit final.

Les convertisseurs CC/CC sont également fréquents dans les produits à alimentation secteur. Un convertisseur CA/CC initial régule le secteur CA en une tension CC avec un ou plusieurs convertisseurs CC/CC. Ensuite, une régulation supplémentaire amène cette tension à un niveau approprié pour le produit final.

Les topologies des convertisseurs CC/CC peuvent être linéaires ou à découpage. Les régulateurs linéaires sont des dispositifs simples et robustes, mais leur rendement diminue à mesure que la différence entre la tension d'entrée et de sortie augmente. De plus, les régulateurs linéaires peuvent uniquement réduire (abaisser) la tension et non l'augmenter (élever) ou l'inverser. Le fait de ne pas pouvoir augmenter la tension laisse un potentiel inexploité dans les batteries.

Les régulateurs à découpage utilisent un élément de commutation à modulation de largeur d'impulsion (PWM) et incluant généralement un ou deux MOSFET associés à un ou deux condensateurs et inductances pour le filtrage et le stockage d'énergie. Les principales raisons pour lesquelles les concepteurs choisissent les régulateurs à découpage sont leur haut rendement et leur densité de puissance élevée. De plus, les régulateurs peuvent élever, abaisser et inverser les tensions.

Les défis pour les concepteurs utilisant des régulateurs à découpage incluent la complexité de conception, le coût et les problèmes EMI potentiels dus aux éléments de commutation. Il est possible de concevoir un régulateur à découpage CC/CC à partir de zéro, et une telle approche peut permettre des économies de coût et d'espace, mais elle est complexe et prend du temps. Une alternative consiste à choisir l'un des nombreux modules disponibles dans le commerce, comme la série JMR de XP Power, qui inclut les principaux éléments du régulateur à découpage dans un seul dispositif compact, fiable et facile à intégrer dans un produit (Figure 1).

Figure 1 : Les dispositifs modulaires tels que ceux de la série JMR combinent les principaux éléments d'un régulateur à découpage CC/CC dans un seul dispositif compact, fiable et facile à intégrer. (Source de l'image : XP Power)

Sélection d'un convertisseur CC/CC

De nombreux facteurs doivent être pris en compte lors du choix d'un convertisseur CC/CC. Certains sont évidents ; par exemple, l'application déterminera les tensions d'entrée et de sortie ainsi que le courant d'entrée et de sortie. D'autres sont plus nuancés. Par exemple, pour maximiser le rendement, il faut tenir compte du profil de charge typique du produit final. En outre, le concepteur doit examiner les courbes de rendement dans les fiches techniques des convertisseurs CC/CC présélectionnés pour s'assurer que le produit final pourra généralement fonctionner au point idéal de rendement du convertisseur.

Le JMR1024S05 de XP Power est un bon exemple de convertisseur CC/CC pour une application médicale. Ce convertisseur est un dispositif médical ultracompact à montage sur circuit imprimé mesurant 20,3 millimètres (mm) x 31,8 mm x 10,2 mm, avec des sorties traversantes de 3 mm. Il offre une sortie de 5 volts (V) à partir d'une entrée nominale de 24 V (min. 9 V, max. 36 V). Le module présente un courant de sortie maximum de 2 ampères (A) et un courant d'entrée à pleine charge de 491 milliampères (mA). La tension d'ondulation de sortie est de 75 millivolts (mV) crête-à-crête (pk-pk) et le rendement est de 84,9 %.

Le module se caractérise par une basse consommation d'énergie à vide de 6 mA, ce qui augmente le rendement et réduit la dissipation de puissance. Une économie supplémentaire à vide de 3 mA est obtenue en inhibant le module à distance (Figure 2). Le module est activé si la broche 1 est un circuit ouvert ; le module est désactivé si la broche 1 est connectée à une source de courant de 2 mA à 4 mA, ou si une tension de 2,2 V à 12 V est appliquée à la broche 1 par rapport à la broche 2.

Figure 2 : La consommation à vide du JMR1024S05 peut être réduite à 3 mA en inhibant le module à distance. (Source de l'image : XP Power)

XP Power propose des alternatives avec sa gamme 10 watts (W). Le JMR1048S12, par exemple, fonctionne à partir d'une entrée nominale de 48 V (18 V à 75 V) et délivre une sortie de 12 V avec un courant de sortie maximum de 833 mA. Le courant d'entrée à pleine charge est de 237 mA et, dans ces conditions, le rendement est de 88 %.

Le JMR1012D15 fonctionne à partir d'une entrée nominale de 12 V (4,5 V à 18 V) et délivre une sortie de ±15 V avec un courant maximum de 333 mA. Le courant d'entrée à pleine charge est de 957 mA et, dans ces conditions, le rendement est de 87 %.

La fréquence de commutation pour la série JMR 10 W est de 300 kilohertz (kHz).

Exigences particulières pour les applications médicales

Les produits médicaux exigent davantage d'un convertisseur CC/CC, car les composants électriques utilisés dans les produits finis sont soumis à la norme de sécurité médicale stricte CEI 60601-1.

Selon la norme CEI 60601-1, la « partie appliquée » est définie comme l'élément du dispositif médical qui entre en contact direct avec un patient, ou qui comporte des parties susceptibles d'entrer en contact avec le patient lors de l'utilisation normale du produit. La norme définit les parties appliquées en fonction du type de contact avec le patient et de la nature du dispositif médical.

La classification de type B est attribuée aux parties appliquées qui sont généralement non conductrices et peuvent être connectées à la terre. Le type BF (Body Floating) est attribué aux parties appliquées qui sont connectées électriquement au patient et qui doivent être flottantes et séparées de la terre. Le type BF ne couvre pas les parties appliquées en contact direct avec le cœur. La classification de type CF (Cardiac Floating) est attribuée aux parties appliquées adaptées à une connexion directe avec le cœur. Les parties appliquées de type CF doivent être flottantes et séparées de la terre.

Les dispositifs médicaux connectés aux patients doivent fournir des moyens de protection (MOP) pour empêcher les parties appliquées (et autres parties accessibles) de dépasser les limites de tension, de courant ou d'énergie. Une connexion à la terre conforme fournit 1 x MOP, une isolation de base fournit également 1 x MOP et une isolation renforcée fournit 2 x MOP.

Les moyens MOP peuvent être divisés en moyens de protection de l'opérateur (MOOP) et moyens de protection du patient (MOPP). Dans les dispositifs destinés à être connectés à un patient, une protection 2 x MOPP est requise.

Les alimentations pour les dispositifs médicaux avec classifications BF et CF doivent fournir 2 x MOPP du primaire au secondaire et 1 x MOPP du primaire à la terre. L'isolation de sécurité supplémentaire entre toute sortie secondaire de l'alimentation et la terre doit également être répertoriée à 1 x MOPP pour la tension de ligne CA entrante la plus élevée. Le Tableau 1 indique le dégagement d'air, la ligne de fuite et les tensions de test pour l'isolation de base (1 x MOP) et renforcée (2 x MOP) dans les applications MOOP et MOPP.

Tableau 1 : Valeurs de dégagement d'air, de ligne de fuite et de tensions de test pour l'isolation de base (1 x MOP) et renforcée (2 x MOP) dans les applications MOOP et MOPP. (Source du tableau : XP Power)

En plus du moyen de protection pour les applications MOOP et MOPP, l'alimentation d'un dispositif médical doit être conçue pour limiter le courant de contact, le courant auxiliaire patient et le courant de fuite patient. Les valeurs maximales autorisées pour le courant de contact sont de 100 microampères (μA) en conditions normales et de 500 μA en condition de premier défaut (SFC). Cette exigence limite efficacement le courant de fuite à la terre du système à 500 μA en fonctionnement normal.

Les exigences en matière de courant de contact, de courant auxiliaire patient et de courant de fuite patient représentent un défi pour les concepteurs. Ils doivent s'assurer que l'alimentation fournit l'isolation de sécurité requise tout en minimisant les courants de fuite en fonctionnement normal, et la protection en condition de défaut en isolant le patient de la terre.

Enfin, le dispositif médical doit être conforme aux exigences CEM décrites dans la norme CEI 60601-1-2. Ces exigences visent à améliorer l'immunité des équipements aux nombreux dispositifs de communication sans fil fonctionnant à proximité d'équipements vitaux. L'objectif secondaire de ces exigences est de fournir des conseils en matière de CEM pour les équipements utilisés à l'extérieur de l'hôpital, où l'environnement CEM est généralement moins contrôlable.

Utilisation d'un convertisseur CC/CC comme deuxième étage d'isolement

Les défis de conception liés à des exigences médicales spécifiques peuvent être atténués en sélectionnant un convertisseur CC/CC avec soin pour introduire un deuxième étage d'isolement. L'ajout de cet étage fournit un isolement de base à la tension de ligne CA. La capacité entrée-sortie est également minimisée (à environ 20 à 50 picofarads (pF)), ce qui réduit le courant de fuite patient potentiel à quelques microampères seulement (Figure 3).

Figure 3 : Un convertisseur CC/CC approuvé (à droite) peut être utilisé pour la régulation de tension de la partie appliquée tout en fournissant une isolation secondaire pour 1 x MOPP et en minimisant le courant de fuite patient potentiel. (Source de l'image : XP Power)

Par exemple, les convertisseurs CC/CC 10 W série JMR de XP Power décrits ci-dessus présentent l'approbation de l'agence de sécurité médicale CEI 60601-1, une isolation renforcée CA 2 x MOPP 5 kilovolts (kV), une capacité d'isolement de 17 pF et un courant de fuite patient de 2 μA, permettant l'intégration aisée dans une large gamme d'applications médicales BF et CF.

Le filtrage CEM, requis pour permettre au produit final de répondre aux exigences de la norme CEI 60601-1-2, peut être ajouté au circuit entre les commandes et le système de dispositif médical et le convertisseur CC/CC sans compromettre l'isolation ou les faibles courants de fuite. La Figure 4 illustre les circuits de filtrage CEM recommandés pour les surtensions et les transitoires électriques rapides (EFT), et les EMI de classe B.

Figure 4 : Circuits de filtrage CEM recommandés pour les surtensions, les EFT et les EMI de classe B pour une utilisation avec les convertisseurs CC/CC série JMR10. (Source de l'image : XP Power)

Le Tableau 2 indique les valeurs de composants recommandées pour ces circuits lors de l'utilisation des dispositifs série JMR10 avec des tensions d'entrée de 12 V, 24 V et 48 V.

Tableau 2 : Valeurs de composants recommandées pour les circuits illustrés à la Figure 4. (Source du tableau : XP Power)

Conclusion

Les convertisseurs CC/CC modulaires et hautement intégrés simplifient la conception d'alimentations fiables et performantes pour les systèmes médicaux. Néanmoins, les concepteurs doivent choisir avec soin un dispositif certifié CEI 60601-1 pour garantir qu'il répond aux exigences de la norme en matière de sécurité de l'opérateur et du patient, ainsi qu'en matière de CEM.