Sélectionner l'alimentation CA/CC appropriée pour répondre à des exigences médicales spécifiques

Les améliorations des technologies de batteries et les avancées des circuits basse consommation ont fait des systèmes portables alimentés par batterie une option viable pour de nombreuses conceptions, mais dans des applications telles que les soins médicaux et les soins de santé à domicile, un fonctionnement uniquement sur batterie et sans connexion n'est ni faisable, ni pratique, ni même souhaitable. L'équipement doit fonctionner directement à partir d'une ligne CA ou avoir accès à une prise CA pour garantir un fonctionnement fiable lorsque les batteries sont faibles. Dans ces situations, l'alimentation CA/CC doit fournir les performances habituelles d'une alimentation électrique en ce qui concerne la tension et le courant de sortie, la régulation statique et dynamique, ainsi que les fonctions de protection contre les défaillances et autres.

De plus, les performances de base de l'alimentation ne sont pas la seule préoccupation des concepteurs de systèmes médicaux. Diverses normes réglementaires existent — et ont été récemment mises à jour — qui ajoutent des obligations supplémentaires pour des questions de performances moins évidentes telles que la tension d'isolation galvanique, le courant de fuite et les deux moyens de protection des patients (2×MOPP). Elles sont en place pour garantir que l'équipement alimenté ne met pas en danger l'opérateur ou le patient, même en cas de défaillance de l'alimentation ou de l'équipement.

La combinaison des exigences de performances, de fiabilité et de normes, ainsi que les pressions liées aux coûts et aux délais de commercialisation, font de la conception d'une alimentation à partir de zéro un véritable défi. Au lieu de cela, les concepteurs doivent passer au crible un éventail d'options prêtes à l'emploi pour trouver la solution optimale.

Cet article se penche sur les applications des alimentations CA/CC dans les environnements d'instruments médicaux, et passe en revue les normes réglementaires critiques pour ces alimentations. Il présente ensuite des exemples d'alimentations de CUI Inc. et étudie leurs caractéristiques respectives et la manière dont elles peuvent aider à résoudre le défi d'alimentation des systèmes médicaux.

Courant alternatif ou batteries ?

Bien que les dispositifs portables alimentés par batterie soient devenus fréquents et même privilégiés dans de nombreux produits commerciaux et grand public, il existe encore de nombreuses situations où l'alimentation par batterie est soit peu pratique, soit indésirable. C'est notamment le cas pour l'instrumentation médicale, où une disponibilité constante, fiable et immédiate est essentielle. Les raisons pour lesquelles les systèmes médicaux privilégient ou imposent le fonctionnement CA incluent les suivantes :

• Exigences élevées en matière de puissance, de tension ou de courant pouvant nécessiter un système de batterie important, lourd et coûteux, ainsi que des circuits de gestion de charge.
• De nombreux établissements médicaux organisent des gardes quotidiennes de 12, 18 et même 24 heures pour les soins planifiés aux patients.
• Même pour les systèmes pouvant utiliser des batteries rechargeables pour l'alimentation principale ou de secours, ces batteries doivent être chargées pendant que le système est en cours d'utilisation, période pendant laquelle l'alimentation CA/CC doit fournir de l'énergie.

En principe, n'importe quelle alimentation CA/CC prête à l'emploi (OTS) standard, correctement dimensionnée, avec des tensions et des courants nominaux appropriés, devrait convenir à ces systèmes. Pourtant, si elles sont suffisantes au niveau de base, elles ne répondent pas aux normes supplémentaires imposées aux alimentations médicales.

Ces exigences supplémentaires en matière de sécurité et de performances sont motivées par la nature unique des applications médicales et la possibilité très réelle que des défaillances de composants ou de systèmes causent des dommages au patient ou à l'opérateur. C'est d'autant plus difficile que le patient est souvent en contact direct avec des capteurs, des sondes ou d'autres transducteurs qui peuvent conduire le courant directement dans le corps, ce qui représente un risque plus important qu'un contact occasionnel.

Commencer par les bases de la sécurité

Bien que le risque d'électrocution soit normalement associé à des tensions plus élevées, la corrélation est indirecte. L'électrocution du patient ou de l'utilisateur est due au courant qui traverse le corps et retourne à sa source. Cependant, si ce courant n'a pas de chemin de retour, il n'y a pas de risque, même si la personne touche une ligne à haute tension.

Sauf exceptions très spécifiques, l'alimentation CA/CC secteur est dotée d'un transformateur d'isolement côté entrée qui peut jouer deux rôles :

• Augmentation ou diminution de la tension de ligne selon les besoins avant qu'elle ne soit redressée en courant continu.
• Isolation entrée/sortie pour empêcher le flux de courant à travers l'utilisateur et le retour au neutre. Cela est essentiel en cas de défaillance qui pourrait conduire la tension et le courant sur la surface de l'unité, et donc vers et à travers l'opérateur ou le patient (Figure 1).

Avec le transformateur d'isolement en place, ce flux de courant ne peut pas se produire car le transformateur d'isolement n'a pas de chemin entre le neutre de la ligne CA et la terre, donc le courant ne circulera pas à travers l'utilisateur.

Figure 1 : Le transformateur d'isolement interrompt le chemin du courant du neutre à la terre, de sorte que le courant ne circule pas à travers l'utilisateur, même si le dispositif ou le système est accidentellement connecté au boîtier exposé. (Source de l'image : Quora)

Pourquoi s'inquiéter du courant ?

Une tension de ligne standard (110/230 volts (V) ; 50 ou 60 hertz (Hz)) sur la poitrine — même pour une fraction de seconde — peut induire une fibrillation ventriculaire à des courants de seulement 30 milliampères (mA). Si le courant a une voie directe vers le cœur, par exemple via un cathéter cardiaque ou un autre type d'électrode, un courant beaucoup plus faible, inférieur à 1 mA (CA ou CC), peut provoquer une fibrillation.

Il s'agit de certains seuils standard souvent cités pour le courant traversant le corps par contact cutané :

• 1 mA : à peine perceptible.
• 16 mA : courant maximum avant le seuil de non-lâcher pour une personne de taille moyenne.
• 20 mA : paralysie des muscles respiratoires.
• 100 mA : seuil de fibrillation ventriculaire.
• 2 A : arrêt cardiaque et lésions des organes internes.

Les niveaux sont également fonction du chemin de courant, c'est-à-dire de l'endroit où se trouvent les deux points de contact avec le corps, par exemple sur ou à travers la poitrine, d'un bras aux pieds, ou à travers la tête.

L'isolement et les fuites des transformateurs sont critiques

Les fuites sont des courants qui traversent l'isolation diélectrique, que ce soit en raison de « fuites » physiques dues à la nature imparfaite de l'isolation, ou en raison de courants capacitifs qui peuvent traverser une isolation même optimale. Bien que le courant de fuite ne soit jamais souhaitable, il constitue un problème beaucoup plus grave dans certaines applications médicales.

Un modèle simplifié d'un transformateur montre une isolation galvanique (ohmique) parfaite entre ses côtés primaire et secondaire (Figure 2).

Figure 2 : Ce modèle de base d'un transformateur montre qu'il n'y a pas de chemin de courant du côté primaire au côté secondaire. (Source de l'image : Power Sources Manufacturers Association)

Aucun courant ne peut circuler directement du réseau CA au produit alimenté — et former ainsi une boucle complète de circulation du courant vers le réseau CA — même si un composant ou une défaillance du câblage fournit un nouveau chemin de courant du côté secondaire. Cependant, dans le monde réel, aucun transformateur n'est parfait et il existe toujours une certaine capacité d'inter-enroulement primaire-secondaire (Figure 3).

Figure 3 : Un modèle plus réaliste montre la capacité d'inter-enroulement de base (C_ps1) entre les côtés primaire et secondaire. (Source de l'image : Power Sources Manufacturers Association)

Un modèle encore plus sophistiqué ajoute des sources supplémentaires de capacité inter-enroulement, comme illustré à la Figure 4.

Figure 4 : Il existe d'autres capacités de transformateur, en plus de C_ps1. (Source de l'image : Power Sources Manufacturers Association)

Cette capacité indésirable qui permet le flux de courant de fuite est fonction de nombreuses variables telles que la taille du fil, le modèle d'enroulement et la géométrie du transformateur. La valeur résultante peut aller d'un picofarad (pF) à quelques microfarads (µF). Outre les fuites capacitives des transformateurs, d'autres sources de capacités involontaires sont les espacements sur les circuits imprimés, l'isolement entre les semi-conducteurs et les dissipateurs thermiques mis à la terre, et même les parasites entre d'autres composants.

Le courant de fuite du transformateur dû à la capacité n'est pas le seul problème des alimentations médicales. Bien entendu, l'isolement et la sécurité CA de base sont des préoccupations. En fonction des niveaux de tension et de puissance, ces alimentations peuvent nécessiter une deuxième barrière d'isolation indépendante en plus de la première.

En outre, de nombreux produits médicaux impliquent des niveaux de signaux très faibles (millivolts ou microvolts pour les capteurs corporels, par exemple), de sorte que les interférences électromagnétiques (EMI) ou radiofréquences (RFI) générées (communément appelées compatibilité électromagnétique, ou CEM) constituent également un problème. Les normes pertinentes indiquent la génération EMI/RFI maximum autorisée, ainsi que leur tolérance.

Normes et moyens de protection (MOP)

La principale norme régissant l'électronique et la sécurité médicales est la norme CEI 60601-1 - Appareils électromédicaux - Partie 1 : Exigences générales pour la sécurité de base et les performances essentielles, ainsi que ses diverses normes associées. Dans la 3^e édition de la norme CEI 60601-1, l'accent est davantage mis sur le patient pour exiger un moyen de protection global qui combine un ou plusieurs moyens de protection de l'opérateur (MOOP) et moyens de protection des patients (MOPP).

Ainsi, si les dispositions de base de la 2^e édition, qui protègent contre les défaillances, restent en place, la 3e édition reconnaît que les dangers potentiels pour chaque utilisateur peuvent être très différents ; un opérateur a accès à un panneau de commande, par exemple, tandis que le patient peut être « connecté » via des sondes.

La 3e édition de la norme fait spécifiquement référence au processus de gestion des risques décrit dans la norme ISO 14971, qui inclut un dossier de gestion des risques dans lequel les conditions de défaillance sont identifiées et évaluées. La 4^e édition de cette norme, récemment entrée en vigueur, va encore plus loin. Tout d'abord, elle ajoute des mises à jour pour tenir compte des changements technologiques. Ensuite, elle étend également l'analyse des risques et prend en compte les préoccupations mutuelles concernant les effets de la CEM à la fois sur le dispositif médical en question et sur d'autres dispositifs à proximité. En d'autres termes, la norme ne se contente pas de dire « Vous devriez faire ceci » ou « Vous devriez faire cela de telle façon », mais exige désormais l'évaluation et même la quantification des risques pertinents et la manière de les atténuer.

Alimentations et moyens de protection

Les normes réglementaires ont créé des classes de protection des produits, caractérisées par les moyens de protection de l'opérateur contre les tensions dangereuses, désignées comme classe I et classe II.

Un produit de classe I a un châssis conducteur qui est connecté à la terre. Par conséquent, les produits de classe I nécessitent un cordon d'alimentation d'entrée avec un conducteur de terre. En revanche, un produit de classe II n'a pas de conducteur de terre dans le cordon d'alimentation d'entrée. Au lieu de cela, une deuxième couche d'isolation est incluse pour la protection de l'opérateur en raison de l'absence d'un châssis mis à la terre (Figure 5).

Figure 5 : Les dispositifs de classe I ne nécessitent qu'une isolation de base et un châssis mis à la terre, tandis que les dispositifs de classe II requièrent des modes d'isolation supplémentaires. (Source de l'image : CUI Inc.)

Il existe différentes exigences pour les moyens de protection, telles que l'isolation, la fuite en surface et l'isolement dans la norme CEI 60601-1, y compris si l'exigence concerne les moyens de protection de l'opérateur ou les moyens de protection des patients plus stricts (Figure 6).

Figure 6 : Les différents moyens et niveaux de protection présentent différentes exigences en matière de tension nominale d'isolement, de fuite en surface et d'isolation. (Source de l'image : CUI Inc.)

La norme définit quelle classification est requise dans diverses situations d'application. Par exemple, un équipement qui est en contact physique avec un patient, tel qu'un tensiomètre, devra typiquement répondre aux exigences 2×MOOP et 1×MOPP.

Il n'est pas possible d'attribuer un chiffre unique à la valeur requise pour chaque paramètre, car leurs valeurs maximum sont fonction de nombreux facteurs. Ces valeurs sont également définies selon que la conception globale utilise un ou deux moyens de protection et selon que ce MOP est un moyen de protection des patients ou un moyen de protection de l'opérateur.

Les classes de protection CEI régissent la construction et l'isolation des alimentations afin de protéger l'utilisateur contre les chocs électriques. Les alimentations CEI de classe II ont un cordon d'alimentation à deux fils, avec deux couches d'isolation (ou une seule couche d'isolation renforcée) entre l'utilisateur et les conducteurs internes porteurs de courant.

La première couche d'isolation est généralement appelée « isolation de base », comme l'isolant normalement utilisé sur les fils. La deuxième couche d'isolation est souvent constituée d'un boîtier isolant qui enferme le produit (appelé « double isolation »), comme le boîtier en plastique utilisé pour les alimentations murales et de bureau.

Fabriquer ou acheter

La conception d'une alimentation de base est soutenue par de nombreux composants disponibles, des notes d'application, des conceptions de référence, et plus. Par conséquent, les concepteurs peuvent être tentés de concevoir et de construire leur propre système, précisément adapté aux exigences de l'application et à ses priorités. Il ne fait aucun doute que, dans certains cas, les exigences en matière d'alimentation sont si inhabituelles ou uniques qu'il n'existe aucune alimentation commerciale disponible, de sorte que la fabrication est la seule solution.

Malgré la faisabilité de la fabrication, il existe de solides arguments contre celle-ci : la fabrication s'accompagne d'un risque élevé en matière de conception et de certification, ainsi que de longs délais de commercialisation. En outre, le volume plus élevé de fournisseurs d'alimentations par rapport aux efforts de fabrication se traduit par une nomenclature (BOM) et des coûts d'assemblage plus faibles, de sorte que la fabrication ne permet même pas de réaliser des économies, sauf peut-être à des niveaux de puissance très faibles (moins d'une dizaine de watts) où les exigences réglementaires sont moins strictes.

Unités prêtes à l'emploi : gamme de niveaux de puissance, facteurs de forme

C'est une chose de parler d'alimentations CA/CC certifiées et approuvées par les autorités réglementaires pour les applications médicales, mais l'examen de certaines des versions disponibles montre que la conformité à ces réglementations ne limite pas la flexibilité d'utilisation. Les fournisseurs proposent différentes gammes d'alimentations avec diverses plages de tensions/courants nominaux dans chaque gamme, et ils peuvent ainsi répondre à presque toutes les exigences de projets. Quelques exemples montrent l'étendue de l'offre en matière d'adaptateurs externes, de modules à cadre ouvert et d'unités fermées.

Exemple n°1 : Les adaptateurs de bureau externes, tels que ceux de la série SDM65-UD, incluent le SDM65-24-UD-P5 de 24 V et 2,7 A (Figure 7). Cette gamme d'alimentations de classe II est souvent utilisée pour l'alimentation/la charge des ordinateurs portables et appareils similaires, et elle offre une plage d'entrée universelle de 90 V à 264 V et de 47 Hz à 63 Hz.

Ces unités d'une puissance nominale de 65 W ont des sorties couvrant de 12 V à 5 A à 5 V à 1,36 A. Elles sont logées dans un boîtier isolant entièrement fermé mesurant environ 120 millimètres (mm) × 60 mm × 36 mm et elles sont dotées d'un voyant LED de mise sous tension pratique pour l'utilisateur.

Figure 7 : Le SDM65-24-UD-P5 est une alimentation CA/CC de classe II, 24 V, 2,7 A, destinée à être utilisée en dehors du dispositif qu'elle alimente. (Source de l'image : CUI Inc.)

Les alimentations de cette gamme fonctionnent à partir d'un cordon CA à deux fils CEI320/C8 fourni par l'utilisateur. La sortie CC est disponible avec un cordon de 150 centimètres (cm) (calibre 16 ou 18, en fonction du courant de sortie de l'alimentation), et peut être commandée avec l'une des deux orientations de polarité, et des terminaisons de fiches cylindriques courantes ou des fils dénudés/étamés (Figure 8).

Figure 8 : Les alimentations série SDM65-UD sont proposées avec plusieurs options de connecteurs cylindriques standard pour le connecteur de sortie CC, ainsi que des fils dénudés et étamés. (Source de l'image : CUI Inc.)

Exemple n°2 : Les modules à cadre ouvert (ou plateau) tels que ceux de la série VMS-550 incluent le VMS-550-48, une unité de 48 V, 11,5 A. Les alimentations de cette gamme offrent jusqu'à 550 W de puissance continue avec des sorties s'étendant de 12 V/42 A à 58 V/9,5 A, avec une empreinte standard de 76,2 mm × 127 mm et une faible hauteur de 38,1 mm (Figure 9).

Figure 9 : Le VMS-550-48 à cadre ouvert délivre 48 V à 11,5 A dans une empreinte standard de 76,2 mm × 127 mm. (Source de l'image : CUI Inc.)

Ces alimentations incluent la correction du facteur de puissance (PFC), une exigence réglementaire à ce niveau de puissance, et affichent une dissipation de puissance en veille inférieure à 0,5 W, ainsi qu'un rendement atteignant 92 %. Elles fonctionnent sur une plage de températures de -40°C à +70°C, et incluent une sortie séparée de 12 V/0,5 A pour un ventilateur local. La connexion CA de cette unité de classe II se fait via le connecteur mâle du circuit imprimé de l'alimentation, à l'aide d'un câble à deux fils terminé par un connecteur femelle correspondant.

La fiche technique fournit des courbes de détarage thermique ainsi qu'un schéma mécanique utile montrant une disposition pour un socle de refroidissement avec des douilles-entretoises et des vis de montage (Figure 10).

Figure 10 : Schéma mécanique montrant les dimensions et la disposition de montage d'un socle de refroidissement adapté à l'alimentation VMS-550-48. (Source de l'image : CUI Inc.)

Exemple n°3 : Les unités fermées, telles que la série VMS-450B, incluent le VMS-450B-24-CNF, une alimentation de 450 W qui fournit 24 V à 18,8 A à partir d'entrées de 100 à 240 V CA. L'alimentation mesure 127 mm × 86,6 mm × 50 mm et est fournie avec un blindage métallique qui permet la circulation de l'air tout en réduisant les EMI/RFI et en offrant une certaine protection physique à l'alimentation et à ses utilisateurs (Figure 11).

Figure 11 : L'alimentation CA/CC 450 W série VMS-450B-24-CNF délivre 24 V à 18,8 A et est fournie avec un boîtier de protection. (Source de l'image : CUI Inc.)

Les alimentations de cette série peuvent délivrer de 12 V à 37,5 A jusqu'à 56 V à 8 A. Elles incluent également la PFC et une commande de 12 V, 600 mA pour un ventilateur, ainsi qu'une sortie CC auxiliaire supplémentaire de 5 V, 1 A qui élimine le recours à une petite alimentation séparée dans de nombreuses applications.

Conclusion

Les alimentations CA/CC destinées aux applications médicales doivent répondre à un large éventail de normes et de réglementations complexes et rigoureuses couvrant des exigences de sécurité de base et additionnelles. Les alimentations répondant à toutes les normes pertinentes sont disponibles dans de nombreuses puissances nominales et dans différents facteurs de forme, y compris le style bureau externe et le style « drop-in » pour l'intégration dans un produit final. En choisissant l'une de ces unités standard, les concepteurs de systèmes sont déchargés de tous les problèmes liés à la conception, à la certification, à l'approbation finale et à la fabrication d'alimentations.