Scelta e uso del convertitore c.c./c.c. ottimale in applicazioni medicali

Progettare un alimentatore che funziona collegato a una rete elettrica c.a. o a batteria è complicato. Il progettista deve sviluppare una soluzione che fornisca una tensione e una corrente stabili con carichi variabili e che funzioni in modo efficiente per ridurre al minimo la dissipazione di potenza. Tuttavia, quando l'alimentatore è destinato a un prodotto medicale, la progettazione è più complicata a causa della compatibilità elettromagnetica (EMC), dei severi requisiti di sicurezza relativi al contatto elettrico con il paziente e della protezione dalle interferenze elettromagnetiche (EMI).

Soddisfare questi requisiti è costoso e richiede tempo per chi sviluppa alimentatori medicali da zero. I convertitori c.c./c.c. modulari commerciali sono un'alternativa, ma occorre prestare attenzione nella scelta e nell'applicazione di queste soluzioni.

Questo articolo descrive brevemente il ruolo di un convertitore c.c./c.c. in un circuito di alimentazione e delinea i criteri di selezione e le considerazioni speciali per le applicazioni mediche. Presenta quindi dispositivi di esempio di XP Power e mostra un modello applicativo.

Il ruolo di un convertitore c.c./c.c.

Sebbene le batterie abbiano una tensione nominale, l'uscita è influenzata da fattori quali lo stato di carica, la domanda di picco e la temperatura. Una caratteristica fondamentale è che la tensione in uscita diminuisce mentre la batteria si scarica. Tuttavia, per funzionare correttamente i CI e altri componenti sensibili richiedono una tensione costante. Un convertitore c.c./c.c. offre una soluzione regolando la tensione di ingresso per fornire una tensione di uscita (o uscite) affidabile e costante per alimentare il prodotto finale.

I convertitori c.c./c.c. sono comuni anche nei prodotti alimentati dalla rete elettrica. Un primo convertitore c.a./c.c. regola la rete c.a. in una tensione c.c. con uno o più convertitori c.c./c.c. Poi, un'ulteriore regolazione porta la tensione a un livello adeguato per il prodotto finale.

I convertitori c.c./c.c. possono avere topologia lineare o a commutazione. I regolatori lineari sono dispositivi semplici e robusti, ma la loro efficienza diminuisce all'aumentare della differenza tra la tensione di ingresso e quella di uscita. Inoltre, i regolatori lineari possono solo ridurre (buck) e non aumentare (boost) o invertire una tensione. L'impossibilità di aumentare le tensioni lascia un potenziale inutilizzato nelle batterie.

I regolatori a commutazione utilizzano un elemento di commutazione modulato a larghezza di impulso (PWM) e comprendono tipicamente uno o due MOSFET abbinati a uno o due induttori e condensatori per l'immagazzinaggio dell'energia e il filtraggio. I motivi principali per cui i progettisti scelgono i regolatori a commutazione sono l'alta efficienza e l'alta densità di potenza. Inoltre, i regolatori possono aumentare, ridurre e invertire le tensioni.

Le sfide per i progettisti che utilizzano i regolatori a commutazione includono la complessità del progetto, il costo e i potenziali problemi di EMI dovuti agli elementi di commutazione. È possibile progettare un regolatore di commutazione c.c./c.c. da zero e questo approccio può far risparmiare costi e spazio, ma è complesso e richiede molto tempo. Un'alternativa è scegliere tra l'ampia gamma di moduli commerciali, come la serie JMR di XP Power, che integra gli elementi primari del regolatore a commutazione in un unico dispositivo compatto, affidabile e facile da progettare in un prodotto (Figura 1).

Figura 1: I dispositivi modulari come la serie JMR integrano gli elementi principali di un regolatore a commutazione c.c./c.c. in un unico dispositivo compatto, affidabile e facile da progettare (Immagine per gentile concessione di XP Power)

Scelta di un convertitore c.c./c.c.

Sono molti i fattori da considerare nella scelta di un convertitore c.c./c.c. Alcuni sono ovvi - ad esempio, l'applicazione determinerà le tensioni di ingresso e di uscita e la corrente di ingresso e di uscita. Altri meno - ad esempio, per massimizzare l'efficienza è necessario considerare il profilo di carico tipico del prodotto finale. Inoltre, il progettista dovrebbe esaminare le curve di efficienza nella scheda tecnica dei convertitori c.c./c.c. selezionati per assicurarsi che il prodotto finale funzioni generalmente al punto di massima efficienza del convertitore.

Il modello JMR1024S05 di XP Power è un buon esempio di convertitore c.c./c.c. per applicazioni mediche. Questo convertitore è un dispositivo medico ultracompatto, montato su una scheda a circuiti stampati di 20,3 x 31,8 x 10,2 mm, con conduttori passanti da 3 mm. Ha un'uscita di 5 V da un ingresso nominale di 24 V (min 9 V, max 36 V). Il modulo offre una corrente di uscita massima di 2 A e una corrente di ingresso a pieno carico di 491 mA. La tensione di ripple in uscita è di 75 mVpk-pk e l'efficienza è dell'84,9%.

Il modulo presenta un basso consumo a vuoto di 6 mA, che aumenta l'efficienza e riduce la dissipazione di potenza. Un ulteriore risparmio di potenza a vuoto di 3 mA si ottiene inibendo il modulo a distanza (Figura 2). Il modulo è acceso se il Pin 1 è un circuito aperto; è spento se il Pin 1 è collegato a una sorgente di corrente da 2 mA a 4 mA o se vengono applicati da 2,2 V a 12 V al Pin 1 rispetto al Pin 2.

Figura 2: Il consumo energetico a vuoto di JMR1024S05 può essere ridotto a 3 mA inibendo il modulo a distanza. (Immagine per gentile concessione di XP Power)

XP Power offre alternative nella sua linea da 10 W. Il modello JMR1048S12, ad esempio, funziona con un ingresso nominale di 48 V (18 ~ 75 V) e fornisce un'uscita di 12 V con una corrente di uscita massima di 833 mA. La corrente di ingresso a pieno carico è di 237 mA e, in queste condizioni, l'efficienza è dell'88%.

JMR1012D15 funziona con un ingresso nominale di 12 V (4,5 ~ 18 V) e fornisce un'uscita di ±15 V con una corrente massima di 333 mA. La corrente di ingresso a pieno carico è di 957 mA e, in queste condizioni, l'efficienza è dell'87 %.

La frequenza di commutazione della serie JMR da 10 W è di 300 kHz.

Requisiti speciali per applicazioni mediche

I dispositivi medici richiedono un convertitore c.c./c.c. più sofisticato, in quanto i componenti elettrici utilizzati nei prodotti finali sono soggetti al rigoroso standard di sicurezza medicale IEC 60601-1.

Secondo la norma IEC 60601-1, la "parte applicata" è definita come l'elemento del dispositivo medico che entra in contatto diretto con il paziente o che ha parti che possono entrare in contatto con il paziente durante il normale utilizzo del prodotto. Lo standard definisce le parti applicate in base al tipo di contatto con il paziente e alla natura del dispositivo medico.

La classificazione di tipo B viene data alle parti applicate che sono generalmente non conduttive e possono essere collegate a terra. Il tipo BF (body floating) è assegnato alle parti applicate che sono collegate elettricamente al paziente e devono essere flottanti e separate dalla terra. Il tipo BF non copre le parti applicate a diretto contatto con il cuore. La classificazione di tipo CF (cardiac floating) viene data alle parti applicate adatte al collegamento diretto con il cuore. Le parti applicate di tipo CF devono essere flottanti e separate dalla terra.

I dispositivi medici collegati al paziente devono prevedere mezzi di protezione (MOP) per evitare che le parti applicate (e altre parti accessibili) superino i limiti di tensione, corrente o energia. Un collegamento a terra di protezione conforme fornisce 1 MOP, l'isolamento di base fornisce anch'esso 1 MOP e l'isolamento rinforzato fornisce 2 MOP.

I MOP possono essere ulteriormente classificati come mezzi di protezione dell'operatore (MOOP) e mezzi di protezione del paziente (MOPP). Nei dispositivi destinati al collegamento con il paziente, sono necessari 2 MOPP.

Gli alimentatori per dispositivi medici con classificazioni di tipo BF e CF devono fornire 2 MOPP dal primario al secondario e 1 MOPP dal primario alla terra. L'isolamento di sicurezza aggiuntivo da qualsiasi uscita secondaria dell'alimentatore a terra deve essere classificato a 1 MOPP per la tensione di linea c.a. in ingresso più elevata. La tabella 1 mostra la distanza di isolamento in aria, la distanza di isolamento superficiale e le tensioni di prova per l'isolamento di base (1 MOP) e rinforzato (2 MOP) in applicazioni MOOP e MOPP.

Tabella 1: La distanza di isolamento in aria, la distanza di isolamento superficiale e le tensioni di prova per l'isolamento di base (1 MOP) e rinforzato (2 MOP) in applicazioni MOOP e MOPP. (Tabella per gentile concessione di XP Power)

Oltre a MOP per le applicazioni MOOP e MOPP, l'alimentatore di un dispositivo medico deve essere progettato per limitare la corrente di contatto, la corrente ausiliaria del paziente e la corrente di dispersione paziente. I valori massimi consentiti per la corrente di contatto sono 100 μA in condizioni normali e 500 μA in condizioni di guasto singolo (SFC). Questo requisito limita effettivamente la corrente di dispersione a terra del sistema a 500 μA in condizioni di funzionamento normale.

I requisiti per la corrente di contatto, la corrente ausiliaria del paziente e la corrente di dispersione paziente sono un problema per i progettisti. Devono garantire che l'alimentatore fornisca l'isolamento di sicurezza richiesto, riducendo al minimo le correnti di dispersione durante il normale funzionamento e la protezione in condizioni di guasto, isolando il paziente dalla terra.

Infine, il dispositivo medico deve essere conforme ai requisiti EMC indicati nella norma IEC 60601-1-2. Tali requisiti puntano a migliorare l'immunità delle apparecchiature dai numerosi dispositivi di comunicazione wireless che operano in prossimità di apparecchiature critiche per la vita. L'obiettivo secondario dei requisiti è quello di fornire una guida EMC per le apparecchiature utilizzate al di fuori dell'ospedale, quando il controllo sull'ambiente EMC tende ad essere minore.

Utilizzo di un convertitore c.c./c.c. come secondo stadio di isolamento

Le sfide progettuali legate ai requisiti medicali speciali possono essere mitigate scegliendo con cura un convertitore c.c./c.c. per introdurre un secondo stadio di isolamento. L'aggiunta di questo stadio fornisce un isolamento di base alla tensione di rete c.a. Inoltre, riduce al minimo la capacità di ingresso-uscita (a circa 20-50 pF), che a sua volta riduce la potenziale corrente di dispersione paziente a pochi microampere (Figura 3).

Figura 3: Un convertitore c.c./c.c. approvato (a destra) può essere utilizzato per la regolazione della tensione alla parte applicata, fornendo al contempo l'isolamento secondario per 1 MOPP e riducendo al minimo la potenziale corrente di dispersione paziente. (Immagine per gentile concessione di XP Power)

Ad esempio, i convertitori c.c./c.c. da 10 watt serie JMR di XP Power descritti in precedenza hanno l'approvazione dell'ente di sicurezza medicale IEC60601-1, isolamento rinforzato 2 MOPP da 5 kV c.a., capacità di isolamento di 17 pF e corrente di dispersione paziente di 2 μA, per una facile integrazione in un'ampia gamma di applicazioni medicali BF e CF.

Il filtraggio EMC, necessario per consentire al prodotto finale di soddisfare i requisiti della norma IEC 60601-1-2, può essere aggiunto al circuito tra il sistema di dispositivi medici e controlli e il convertitore c.c./c.c. senza compromettere l'isolamento o le correnti a bassa dispersione. La Figura 4 illustra i circuiti di filtraggio EMC consigliati per le sovratensioni e i transitori elettrici veloci (EFT) e per le EMI di classe B.

Figura 4: Circuiti di filtraggio EMC consigliati per le sovratensioni, le EFT e le EMI di classe B da utilizzare con i convertitori c.c./c.c. serie JMR10. (Immagine per gentile concessione di XP Power)

La Tabella 2 mostra i valori dei componenti raccomandati per questi circuiti quando si utilizzano i dispositivi serie JMR10 con tensioni di ingresso di 12 V, 24 V e 48 V.

Tabella 2: I valori dei componenti raccomandati per i circuiti illustrati nella Figura 4. (Tabella per gentile concessione di XP Power)

Conclusione

I convertitori c.c./c.c. modulari e altamente integrati semplificano la progettazione di alimentatori affidabili e ad alte prestazioni per sistemi medicali. Tuttavia, i progettisti devono scegliere con cura un dispositivo con certificazione IEC 60601-1 per assicurarsi che soddisfi i requisiti dello standard per la sicurezza dell'operatore e del paziente, nonché per la compatibilità elettromagnetica.