Comment sélectionner et appliquer les composants appropriés pour protéger les dispositifs médicaux, les utilisateurs et les patients

L'utilisation d'équipements médicaux pour le diagnostic et le maintien de vie, en contact avec le patient et hors laboratoire, tels que les respirateurs, les défibrillateurs, les échographes et les unités d'électrocardiogramme (ECG), continue à augmenter. Les raisons incluent notamment le vieillissement de la population, les attentes accrues des patients en matière de soins et les améliorations des technologies électroniques médicales qui rendent ces systèmes plus pratiques. Ces équipements doivent être protégés contre de multiples types de problèmes électriques qui pourraient nuire à l'équipement, au personnel hospitalier et aux patients.

Toutefois, la protection complète d'un circuit requiert bien plus qu'un simple fusible thermique, et la mise en œuvre de la protection ne consiste pas à trouver le meilleur dispositif pour une conception et une application données. Il s'agit plutôt de comprendre d'abord quels circuits doivent être protégés, puis de déterminer le meilleur mode de protection. En général, de multiples composants passifs sont nécessaires pour assurer la protection, et un système typique peut avoir besoin d'une douzaine ou plus de ces dispositifs de protection spécialisés. Les dispositifs de protection sont comme les assurances : si ces dernières ne sont que rarement voire jamais nécessaires, le coût de leur absence dépasse largement celui de leur existence.

Cet article étudie où la protection est nécessaire dans de tels systèmes médicaux, y compris les entrées/sorties de signaux/capteurs côté patient, l'alimentation, les ports de communication, le cœur de traitement et les interfaces utilisateur. Il aborde également les différents types de composants de protection des circuits et des systèmes, en utilisant à titre d'exemple des dispositifs de Littelfuse, Inc., et examine le rôle et l'application de chacun.

Le rôle de la protection dans les systèmes médicaux

Pour la plupart des ingénieurs, l'expression « protection des circuits » évoque immédiatement le fusible thermique classique, utilisé depuis plus de 150 ans. Il doit sa forme moderne en grande partie aux travaux d'Edward V. Sundt, qui a breveté en 1927 le premier petit fusible à action instantanée conçu pour empêcher les contrôleurs sensibles de brûler (Référence 1). Il a ensuite fondé la société qui est devenue Littelfuse, Inc.

Depuis lors, les options de protection des circuits se sont considérablement étendues, compte tenu des nombreux modes de défaillance potentiels des circuits, notamment :

• Défaillances internes pouvant entraîner une cascade de dommages à d'autres composants
• Défaillances internes pouvant mettre en danger l'opérateur ou le patient
• Problèmes de fonctionnement interne (tension/courant/thermique) affectant d'autres composants et pouvant entraîner leur défaillance prématurée
• Transitoires et pics de tension/courant faisant partie intégrante et inévitable du fonctionnement du circuit et devant être gérés avec soin

Nombre de ces problèmes s'appliquent aux unités alimentées par batterie, et pas seulement à celles à alimentation secteur.

La fonction de nombreux dispositifs de protection, mais pas tous, est de supprimer les transitoires de tension trop importants. Il existe deux grandes catégories de suppresseurs de transitoires : ceux qui atténuent les transitoires, empêchant ainsi leur propagation dans le circuit sensible ; et ceux qui détournent les transitoires des charges sensibles et limitent ainsi la tension restante. Il est essentiel d'étudier attentivement les fiches techniques des dispositifs pour les courbes de dépréciation thermique et de performances, car certaines sont spécifiées pour une protection transitoire de durée variable, restreinte par des limites définies de tension, de courant et de temps plutôt que pour une protection en régime permanent.

Parmi les nombreux paramètres électriques devant être pris en compte figurent la tension de blocage, le courant maximum, la tension de claquage, la tension de fonctionnement maximum inverse ou la tension de sécurité inverse, le courant d'impulsion de crête, la résistance dynamique et la capacité. Il est également important de comprendre dans quelles conditions chacun de ces paramètres est défini et spécifié. La taille du dispositif et le nombre de canaux ou de lignes protégés sont aussi des éléments à prendre en compte. Le choix du meilleur dispositif de protection à utiliser dans une partie donnée d'un circuit est fonction de ces facteurs, et des compromis sont souvent inévitables entre les différents paramètres. Il y aura certainement des approches privilégiées ou standard, mais également des choix qui devront être jugés, évalués et faits.

Les options de protection des circuits sont nombreuses : choisissez judicieusement

Il existe une variété d'options de protection. Chacune d'entre elles offre des fonctionnalités et un ensemble de caractéristiques uniques qui en font un choix approprié — ou le seul choix — pour mettre en œuvre une protection contre des classes spécifiques de défauts ou de caractéristiques de circuit inévitables. Les principales options de protection sont les suivantes :

• Fusible thermique traditionnel
• Dispositifs PPTC
• Varistances à oxyde métallique (MOV)
• Varistances multicouches (MLV)
• Diodes de suppression de tension transitoire (TVS)
• Matrices de diodes
• Relais statiques (SSR)
• Indicateurs de température
• Tubes à décharge gazeuse (GDT)

Le fusible thermique est simple dans son concept. Il utilise un élément fusible conducteur qui est fabriqué à partir de métaux soigneusement sélectionnés avec des dimensions précises. Le flux de courant au-delà de la limite de conception provoque l'échauffement et la fusion de l'élément, ce qui interrompt définitivement le trajet du courant. Pour les fusibles standard, le temps d'ouverture du circuit est de l'ordre de plusieurs centaines de millisecondes à plusieurs secondes, en fonction de la quantité de surintensité par rapport à la limite nominale. Dans de nombreuses conceptions, il s'agit d'une ligne finale de protection, agissant de manière décisive et irrévocable.

Les fusibles sont disponibles pour des valeurs de courant s'étendant de moins d'un ampère à des centaines d'ampères ou plus, et ils peuvent être conçus pour résister à des centaines ou des milliers de volts entre leurs deux bornes dans des conditions de circuit ouvert induit par une défaillance.

Un fusible typique est le dispositif 0215.250TXP de Littelfuse, un fusible de 250 milliampères (mA), 250 volts CA (V_CA) en boîtier céramique de 5 millimètres (mm) x 20 mm (Figure 1). Comme la plupart des fusibles, il présente un boîtier cylindrique ou en forme de cartouche, qui n'est pas soudé dans le circuit mais installé dans un porte-fusible pour faciliter son remplacement. Les fusibles sont également disponibles dans des boîtiers rectangulaires et à « lame », ainsi que dans des boîtiers pouvant être soudés ; il convient de noter que le profil de soudure doit être rigoureusement respecté pour éviter d'endommager l'élément fusible.

Figure 1 : Le dispositif 0215.250TXP de Littelfuse est un fusible de 250 mA, 250 V_CA dans un boîtier en céramique de 5 mm de diamètre et de 20 mm de longueur. (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

Malgré leur simplicité apparente, les fusibles présentent plusieurs variations, subtilités et autres facteurs dont il faut tenir compte lors du choix du fusible approprié pour un circuit (Références 2 et 3). Les fusibles sont fréquemment utilisés sur les lignes d'entrée CA, sur les broches de sortie sur lesquelles un court-circuit total peut se produire, ou en interne lorsque toute surintensité constitue un problème sérieux tel que le flux de courant doit être complètement arrêté, et la source du problème déterminée et corrigée avant que le fonctionnement ne puisse reprendre.

Les dispositifs PPTC servent deux types d'applications principales : la réglementation de sécurité, pour un port USB, une alimentation, une batterie ou une commande moteur ; et la prévention des risques pour un port E/S. Dans des conditions anormales telles qu'une surintensité, une surcharge ou une surchauffe, la résistance PPTC augmente considérablement, ce qui limite le courant d'alimentation afin de protéger les composants du circuit.

Lorsqu'un dispositif PPTC se déclenche dans un état de haute résistance, une petite quantité de courant continue à circuler dans le dispositif. Les dispositifs PPTC nécessitent un courant de fuite d'échauffement à faible joule ou une source de chaleur externe afin de maintenir leur état déclenché. Une fois que la condition de défaillance est supprimée et que l'alimentation est coupée, cette source de chaleur est éliminée. Le dispositif peut alors revenir à un état de faible résistance et le circuit est rétabli dans un état de fonctionnement normal. Bien que les dispositifs PPTC soient parfois décrits comme des « fusibles réarmables », il ne s'agit pas en fait de fusibles mais de thermistances non linéaires qui limitent le courant. Comme tous les dispositifs PPTC passent à un état de haute résistance en cas de défaillance, le fonctionnement normal peut toujours entraîner la présence d'une tension dangereuse dans certaines parties du circuit.

Un bon exemple de dispositif PPTC est le 2016L100/33DR de Littelfuse, un dispositif PPTC de 33 V, 1,1 A à montage en surface pour les applications basse tension (≤ 60 V) dans lesquelles une protection réinitialisable est nécessaire (Figure 2). Il présente une empreinte de 4 mm x 5 mm et se déclenche en moins de 0,5 seconde (s) à une surintensité de 8 A.

Figure 2 : Le dispositif PPTC 33 V, 1,1 A 2016L100/33DR peut être utilisé dans les applications basse tension où une protection réinitialisable est nécessaire ; il réagit en moins de 0,5 s à une surintensité de 8 A. (Source de l'image : Littelfuse, Inc.)

Dans un ventilateur typique, le 2016L100/33DR peut être utilisé pour protéger le MOSFET du système de gestion de la batterie contre les forts courants dus à des courts-circuits externes ou pour fournir une protection contre les surintensités pour les jeux de puces USB (Figure 3).

Figure 3 : Dans ce schéma fonctionnel de ventilateur, les dispositifs PPTC peuvent être utilisés dans le système de gestion de la batterie ainsi que dans les sections de ports USB (zones 2 et 5). (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

Les varistances MOV sont des dispositifs non linéaires dépendant de la tension, qui ont un comportement électrique similaire à celui des diodes Zener tête-bêche. Leurs caractéristiques de claquage symétriques et nettes leur permettent d'offrir d'excellentes performances de suppression des transitoires.

Lorsqu'un transitoire haute tension se produit, l'impédance de la varistance diminue de plusieurs ordres de grandeur, passant d'un circuit quasi ouvert à un niveau hautement conducteur, ce qui permet de bloquer la tension transitoire à un niveau sûr en quelques millisecondes (Figure 4).

Figure 4 : La courbe tension-courant (V-I) de la varistance MOV montre sa zone de haute résistance normale ainsi que sa zone de très faible impédance, qui se produit lorsque la tension augmente au-delà d'un seuil de conception. (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

En raison de cette action de blocage, l'énergie potentiellement destructrice de l'impulsion transitoire est absorbée par la varistance (Figure 5).

Figure 5 : Le changement de haute impédance à basse impédance brusque de la varistance MOV lorsqu'une tension transitoire se produit réduit cette tension à un niveau acceptable. (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

Les varistances MOV sont disponibles dans une variété de boîtiers, comme le V07E250PL2T de 390 V, 1,75 kiloampère (kA), qui est un petit disque avec des sorties traversantes, mesurant seulement 7 mm de diamètre (Figure 6). Elles sont souvent utilisées sur une ligne d'entrée CA pour prévenir les dommages causés par les transitoires de tension de ligne CA (zone 1 de la Figure 3). Notez que les varistances MOV peuvent être connectées en parallèle pour améliorer les capacités de tenue en énergie et en courant de crête, et en série pour fournir des tensions nominales supérieures à celles normalement disponibles, ou des valeurs nominales entre les offres standard.

Figure 6 : La varistance MOV V07E250PL2T est un disque de 7 mm à sorties traversantes, conçu pour fonctionner à 390 V et pour supporter des transitoires jusqu'à 1750 A. (Source de l'image : Littelfuse, Inc.)

Les varistances MLV sont similaires aux varistances MOV et fournissent les mêmes fonctions de base, mais présentent une construction interne différente et donc des caractéristiques légèrement différentes. Les varistances MLV sont fabriqués par empilage humide de couches d'oxyde de zinc (ZnO) et d'électrodes internes métalliques, par frittage, par terminaison, par vitrification et enfin par placage. En général, pour une même tension nominale MOV, les composants MLV plus petits ont une tension de blocage plus élevée à des courants plus élevés, tandis que les composants plus grands ont une capacité en énergie plus élevée.

La varistance MLV V12MLA0805LNH, par exemple, a été testée avec de multiples impulsions à son courant nominal de crête (3 A, 8/20 microsecondes (µs)). À la fin du test — 10 000 impulsions plus tard — les caractéristiques de tension du dispositif étaient encore conformes aux spécifications (Figure 7). Ce dispositif doit être pris en compte pour la protection contre les transitoires dans l'alimentation du ventilateur et le port USB (zones 1 et 5 de la Figure 3).

Figure 7 : Les MLV comme le V12MLA0805LNH peuvent supporter des impulsions transitoires répétées sans dégradation des performances. (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

Les diodes TVS protègent également l'électronique sensible contre les transitoires haute tension et peuvent répondre aux événements de surtension plus rapidement que la plupart des autres types de dispositifs de protection des circuits. Elles bloquent et donc limitent la tension à un certain niveau en utilisant une jonction p-n qui a une section transversale plus grande que celle d'une diode normale, ce qui permet à la diode TVS de conduire des courants élevés à la terre sans subir de dommages.

Les diodes TVS sont généralement utilisées pour fournir une protection contre les surcharges électriques telles que celles induites par la foudre, la commutation de charge inductive, et les décharges électrostatiques (DES) associées aux lignes de transmission ou de données et aux circuits électroniques. Leur temps de réponse est de l'ordre des nanosecondes, ce qui est un avantage pour la protection des interfaces E/S relativement sensibles dans les produits médicaux, les équipements de télécommunications et industriels, les ordinateurs et l'électronique grand public. Elles ont une relation de blocage définie entre la tension transitoire par rapport à la tension et au courant dans la diode TVS, avec des spécificités définies par le modèle TVS considéré (Figure 8).

Figure 8 : Illustration de la relation générale pour une diode TVS entre les transitoires de tension et la tension et le courant dans la diode TVS, avec des valeurs spécifiques déterminées par le modèle de diode TVS sélectionné. (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

Le dispositif SMCJ33A est une diode TVS unidirectionnelle avec une tension de blocage de 53 V et un courant nominal de crête de 28 A dans un boîtier CMS de 5,6 mm x 6,6 mm ; une version bidirectionnelle (suffixe B) est également disponible pour une utilisation lorsque des transitoires positifs et négatifs sont attendus. Dans une application représentative telle qu'un échographe portable avec un générateur d'impulsions haute tension pour commander des transducteurs piézoélectriques, des diodes TVS peuvent être utilisées pour protéger les ports USB et l'écran LCD/LED de l'interface utilisateur (zones 2 et 3 de la Figure 9).

Figure 9 : Dans ce schéma fonctionnel d'échographe portable, une diode TVS telle que le dispositif SMCJ33A avec une tension de blocage de 53 V peut être utilisée pour la protection contre les transitoires sur les ports USB et l'écran LCD/LED (zones 2 et 3). (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

Les matrices de diodes utilisent des diodes de forçage centrées sur une grande diode TVS (comme une diode Zener) pour aider à réduire la capacité constatée par les lignes E/S. Ces dispositifs ont une faible capacité à l'état bloqué de 0,3 picofarad (pF) à 5 pF et sont adaptés à des niveaux DES de +/-18 kilovolts (kV) à +/-30 kV. Les applications incluent la protection des interfaces USB 2.0, USB 3.0, HDMI, eSATA et DisplayPort, pour ne citer que quelques possibilités. Notez que la matrice de diodes TVS du même nom offre les mêmes fonctionnalités de base mais a une capacité plus élevée et convient donc mieux aux interfaces à plus faible vitesse.

Le SP3019-04HTG est un exemple d'une telle matrice de diodes (Figure 10). Elle intègre quatre canaux de protection DES asymétrique ultrabasse capacité (0,3 pF) dans un boîtier SOT23 à six sorties, et présente également un courant de fuite typique extrêmement faible de 10 nanoampères (nA) à 5 V. Comme pour les diodes TVS, les applications typiques sont la protection des ports USB et de l'écran LCD/LED de l'interface utilisateur (zones 2 et 3 de la Figure 9).

Figure 10 : Une matrice de diodes telle que la matrice SP3019-04HTG offre une protection DES pour plusieurs lignes E/S haute vitesse. (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

Les relais statiques, également appelés SSR ou photocoupleurs, permettent à une tension de commuter et de contrôler une tension indépendante avec une isolation galvanique quasi parfaite (pas de chemin ohmique) entre l'entrée et la sortie. Ils répondent à de multiples objectifs généraux. L'un est fonctionnel : ils peuvent éliminer les boucles de masse entre des sous-circuits séparés ou permettre aux circuits d'attaque haut potentiel d'une configuration MOSFET en demi-pont ou en pont en H de « flotter ». Un autre objectif est lié à la sécurité et est particulièrement important pour les dispositifs médicaux où leur isolation constitue une barrière infranchissable. Ce confinement est nécessaire en cas de hautes tensions internes et de contact de l'utilisateur ou du patient avec les fils, boutons, sondes et boîtiers d'instruments.

Le CPC1017NTR est représentatif d'un SSR unipolaire, normalement ouvert (1-Forme-A) de base. Il est logé dans un petit boîtier à quatre sorties de 4 mm² et offre une isolation de 1500 V_RMS entre l'entrée et la sortie. Il est extrêmement efficace, ne nécessitant que 1 mA de courant LED pour fonctionner, peut commuter 100 mA/60 V et permet une commutation sans arc sans recourir à des circuits d'amortissement externes. De plus, il ne génère pas d'émissions EMI/RFI et est immunisé contre les champs électromagnétiques externes rayonnés — caractéristiques qui sont requises dans certains instruments et systèmes médicaux. Dans une application telle qu'un défibrillateur, les concepteurs peuvent l'utiliser pour séparer électriquement les circuits basse tension des hautes tensions du pont qui commande les palettes de l'unité (Figure 11).

Figure 11 : Dans un défibrillateur, le SSR permet à l'électronique basse tension de commander les palettes haute tension tout en permettant aux circuits d'attaque supérieurs « flottants » du pont en H de rester isolés de la masse du système (zone 5). (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

Les indicateurs de température sont des versions spécialisées des capteurs de température tels que les thermistances. Bien qu'il puisse sembler évident que les zones potentiellement chaudes telles que les alimentations ou les sources de tension plus élevées doivent être surveillées pour éviter tout échauffement excessif, même un port E/S USB Type-C peut faire face à un courant important et donc surchauffer. Cela peut être dû à une défaillance interne, voire à une charge défectueuse ou à un câble court-circuité qui y est relié.

Pour gérer ce problème potentiel, un dispositif tel que l'indicateur de température à coefficient de température positif (CTP) setP SETP0805-100-SE permet de protéger les fiches USB Type-C contre la surchauffe. Il a été conçu pour s'adapter aux spécifications uniques de cette norme USB et est capable d'aider à protéger même les plus hauts niveaux d'alimentation USB Type-C. Disponible en boîtier 0805 (2,0 mm x 1,2 mm), il protège les systèmes consommant 100 watts (W) ou plus, en fournissant une indication de température sensible et fiable lorsque sa résistance passe d'une valeur nominale de 12 ohms (Ω) à 25°C à 35 kilohms (kΩ) à 100°C (valeurs typiques).

Les GDT peuvent évoquer dans l'esprit des ingénieurs des images de grands tubes encombrants avec des étincelles visibles, mais ils sont en réalité très différents. Ces tubes sont placés entre une ligne ou un conducteur à protéger — généralement une ligne électrique CA ou un autre conducteur « exposé » et la terre du système — afin de fournir un mécanisme quasi idéal pour dévier les surtensions plus élevées vers la terre.

En conditions de fonctionnement normales, le gaz à l'intérieur du dispositif agit comme un isolant et le GDT ne conduit pas le courant. Lorsqu'une condition de surtension (appelée tension d'amorçage) se produit, le gaz à l'intérieur du tube se décompose et conduit le courant. Lorsque la condition de surtension dépasse les paramètres de la tension nominale d'amorçage, le GDT s'allume et se décharge, détournant l'énergie dommageable. Les GDT sont disponibles sous forme de dispositifs bipolaires pour les lignes non mises à la terre et de dispositifs tripolaires pour les lignes mises à la terre, les deux versions étant disponibles dans de petits boîtiers CMS pour faciliter l'intégration et l'assemblage des cartes (Figure 12).

Figure 12 : Les GDT sont disponibles comme dispositifs bipolaires (à gauche) pour les circuits non mis à la terre et comme dispositifs tripolaires (à droite) pour les circuits mis à la terre (le symbole GDT est le Z à droite de chaque schéma). (Source de l'image : Littelfuse, Inc.)

Les GDT sont disponibles pour des valeurs d'amorçage de seulement 75 V et peuvent supporter des centaines, voire des milliers d'ampères. Par exemple, le GTCS23-750M-R01-2 est un GDT bipolaire avec une tension d'amorçage de 75 V et un courant nominal de 1 kA, dans un boîtier CMS mesurant 4,5 mm de long et 3 mm de diamètre, ce qui lui permet d'être placé presque partout pour assurer la protection (Figure 13).

Figure 13 : les GDT ne doivent pas nécessairement ressembler à de gros éclateurs ; le GTCS23-750M-R01-2 est un GDT de 75 V, 1 kA, dans un boîtier CMS qui ne mesure que 4,5 mm de longueur et 3 mm de diamètre. (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

Les normes guident la conception

Les dispositifs médicaux doivent répondre à plusieurs normes de sécurité, dont certaines s'appliquent à tous les produits grand public et commerciaux, et d'autres uniquement aux dispositifs médicaux. Nombre de ces normes ont une portée internationale. Les multiples normes et mandats réglementaires incluent :

• CEI 60601-1 - Appareils électromédicaux - Partie 1-2 : Règles générales pour la sécurité de base et les performances essentielles - Norme collatérale : perturbations électromagnétiques - Exigences et essais.
• CEI 60601-1-11 - Appareils électromédicaux - Partie 1-11 : exigences générales pour la sécurité de base et les performances essentielles — Norme collatérale : exigences pour les appareils électromédicaux et les systèmes électromédicaux utilisés dans l'environnement des soins à domicile.
• CEI 62311-2 - Évaluation des équipements électroniques et électriques en relation avec les restrictions d'exposition humaine aux champs électromagnétiques (0 Hz à 300 GHz).
• CEI 62133-2 - Accumulateurs alcalins et autres accumulateurs à électrolyte non acide - Exigences de sécurité pour les accumulateurs portables étanches, et pour les batteries qui en sont constituées, destinés à l'utilisation dans des applications portables - Partie 2 : Systèmes au lithium.

Porter une attention particulière à la sélection et à l'utilisation des dispositifs de protection des circuits contribue largement à la réalisation de ces mandats de sécurité. L'utilisation de techniques et de composants acceptés et approuvés peut également accélérer le processus d'approbation.

Conclusion

Les exigences consistant à savoir où, pourquoi et comment les dispositifs de protection des circuits doivent être utilisés en général et dans les unités médicales en particulier constituent un défi de conception complexe. Il existe de nombreux composants de protection appropriés, certains spécifiques à une fonction de circuit donnée et d'autres avec une applicabilité plus générale. Chaque composant apporte un ensemble d'attributs qui le rendent le mieux adapté — ou au moins l'un des mieux adaptés — dans les différents circuits et systèmes exigeant une telle protection. Aucun dispositif ne peut à lui seul répondre aux exigences multiples et diverses des systèmes, et les concepteurs doivent utiliser plusieurs approches de protection.

Dans la plupart des cas, les nombreuses décisions concernant les dispositifs à utiliser et la meilleure façon de les utiliser sont intrinsèquement compliquées et soumises à un examen réglementaire. Les concepteurs doivent sérieusement envisager de demander de l'aide à des ingénieurs d'application compétents chez le fournisseur des dispositifs de protection ou chez leur fournisseur désigné (distributeur). Leur expérience et leur expertise peuvent réduire les délais de commercialisation, garantir une conception plus approfondie et faciliter le processus d'approbation réglementaire.