使用 GaN 器件缩小外部医疗 AC/DC 电源的尺寸

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美编辑

尽管电池技术和低功耗电路取得了进步，但医疗系统是完全不受束缚的纯电池设计可能不可行、不实用或不可接受的众多应用之一。相反，设备通常必须直接通过交流线路运行，或者至少能够在电池电量低时依靠交流电源插座进行运行。

除了满足基本的交流/直流电源性能规范外，医疗电源还必须符合不太明显的性能考虑因素的监管要求，例如电流隔离、额定电压、泄漏电流和保护手段
（MOP）。这些标准的制定是为了确保即使电源或负载出现故障，供电设备也不会将操作员或患者置于危险之中。与此同时，医疗电源设计人员必须不断提高效率并减小尺寸和重量。

本文讨论了外部交流/直流电源在医疗仪器中的使用，并回顾了相关的监管标准。然后介绍了XP
Power的产品，设计人员可以使用这些产品来满足这些标准，同时还利用氮化镓 （GaN） 功率器件将电源的物理尺寸减小近一半。

基本电源设计要求

选择交流/直流电源首先要考虑标准电源性能指标。电源必须提供标称直流电压，并能够在该电压下提供额定电流以支持负载。通用电源必须能够适应频率为 47 至 63
赫兹 （Hz） 的宽范围交流输入电压（通常为 85 伏交流 （VAC） 至 264 VAC）。

这些输入和输出电压和电流额定值至关重要，但不足以完全定义电源。其他考虑因素包括：

动态性能属性，例如启动延迟、启动上升时间、保持时间、线路和负载调节、瞬态响应、纹波和噪声以及过冲

防止过载、短路和过热

效率要求，它是电源最大额定功率的函数，并且必须沿着负载曲线具有特定值，包括满负载、低负载和空载点

功率因数 （PF） 接近于 1，其中特定 PF 数是功率水平和控制监管标准的函数

电磁兼容性 （EMC），表征电源的最大电磁干扰 （EMI）/射频干扰 （RFI） 及其对静电放电
（ESD）、辐射能量、突发能量事件、线路浪涌和磁场的敏感性领域

安全，定义了保护用户和设备的基本要求，包括输入与输出之间、输入对地、输出对地之间的隔离电压

医疗电源的要求

在评估医疗应用电源时，额外的标准和监管要求使问题变得更加复杂。这些主要关系到患者和操作员的安全，确保电源在发生单一故障甚至双重故障时不会面临风险。

大多数问题与杂散电流或漏电流有关。胸部的标准线电压（110/230 伏；50 或 60 赫兹），即使只持续不到一秒，在低至 30 毫安 （mA）
的电流下也可能诱发心室颤动。如果电流直接到达心脏，例如通过心导管或其他电极，则低于 1 mA（交流或直流）的低得多的电流可能会导致颤动。

这些是经常引用的一些标准阈值，用于通过皮肤表面接触流经身体的电流，而内部接触的危险数字要低得多：

1 mA：几乎察觉不到

16 mA：普通身材的人可以抓住并“放开”的最大电流

20 mA：呼吸肌麻痹

100 mA：心室颤动阈值

2 A：心脏骤停和内脏器官损伤

风险水平也是流经与身体的两个接触点的电流路径的函数，例如穿过或穿过胸部，或从手臂向下到脚。这就是为什么最大限度地减少通过交流隔离变压器介电绝缘层的漏电流至关重要。

如果绝缘质量足够好，泄漏电流量似乎可以忽略不计。然而，虽然这种泄漏可能是由于绝缘体的不完美性质而物理“泄漏”的电流，但它也可能是由于电容耦合电流甚至可以穿过异常绝缘体而引起的。

理想变压器的简化模型显示了其初级侧和次级侧之间的完美电流（欧姆）隔离（图 1）。

图 1：变压器的基本模型显示从初级侧到次级侧没有电流路径。 （图片来源：电源制造商协会）

使用理想的变压器，即使组件或接线故障在次级侧提供了新的电流路径，也没有电流可以直接从交流电源流到受电产品以形成完整的电流环路返回交流电源。然而，没有一个变压器是完美的，初级到次级绕组间电容是预期的（图 2）。

图 2：更真实的模型显示了初级侧和次级侧之间的基本绕组间电容 (C PS1 )。 （图片来源：电源制造商协会）

更复杂的模型添加了额外的绕组间电容源（图 3）。

* 图 3：除了第一个中间绕组 (C ps1 )之外，还有其他变压器电容。 （图片来源：电源制造商协会）*

这种不需要的电容会产生漏电流，其值是许多变量的函数，例如电线尺寸、绕组模式和变压器几何形状。该值的范围可以从低至一皮法 (pF) 到几微法拉 (µF)。除了基于变压器电容的泄漏之外，意外电容的其他来源还包括印刷电路板 (PC 板) 上的间距、半导体和接地散热器之间的绝缘以及其他组件之间的寄生效应。

由于电容引起的变压器漏电流并不是医疗电源法规所关注的唯一问题。基本的交流安全和绝缘是首要任务。根据电压和功率水平，除了主屏障（或物理强化绝缘）之外，电源可能还需要第二个独立的绝缘屏障。由于极端温度、高压引起的应力和电压浪涌，绝缘性能也会随着时间的推移而降低，尽管它可能仍符合其额定值。

第一层绝缘通常称为“基本绝缘”。一个例子是电线绝缘。第二层通常是绝缘外壳，如许多壁挂式和台式电源中所见。

标准和保护手段 (MoP)

管理医疗电子和安全的主要标准是 IEC 60601-1。最新（第 4 ^版^ ）版本通过要求结合一种或多种“操作员保护手段”(MOOP) 和“患者保护手段”(MOPP) 的整体保护手段 (MOP) 扩展了对患者的关注。

监管标准还围绕 MOOP 的提供方式创建了保护等级。它们被指定为 I 类和 II 类，并管理电源的结构和绝缘。 I 类产品具有连接到安全接地的导电底盘。为了简化本地墙壁插头兼容性，该电源具有一个 IEC320-C14 插座，用于连接用户提供的带安全接地导体的电源线（图 4，左）。

相比之下，II 类电源具有带安全接地连接的两线电源线（图 4，右）。由于没有接地底盘，用户和内部载流导体之间有两层绝缘（或单层加强绝缘）。

图 4：I 类（左）和 II 类（右）单元具有接地三线或不接地两线交流线路连接，通常与标准 IEC 插座和用户提供的电源线一起使用。 （图片来源：XP Power）

结果是，任何指定用于医疗应用并经过 I 类或 II 类认证的 AC/DC 电源都必须根据相关标准进行专门设计和测试。幸运的是，XP Power 等电源供应商了解提供满足这些标准的电源所需的技术、制造和认证问题。

尺寸也很重要

对医疗 AC/DC 电源施加的技术要求和监管要求与物理尺寸无关，但尺寸很重要。大量供应使空间有限的就地操作安排变得复杂，例如在救护车或移动推车和办公桌空间有限的临床环境中。

在这些情况下，减小交流/直流电源的尺寸将是有益的，但这也是一个挑战。最小供电尺寸受到遵守绝缘、爬电距离和间隙等监管指南的限制。

缩小电源供应的另一个问题是散热。如果电源的体积和封装表面积不足，其内部温度将高于较大电源的温度，从而降低内部有源、无源和绝缘元件的性能。由于潜在的气流阻塞、长期可靠性问题以及增加的环境噪音，强制风冷是不可接受的。

此外，产生的热量可能会导致供应箱的表面温度升高到超出可接受的范围，从而使患者和操作人员面临危险。缩小电源供应的关键是使用适当的电路开关元件来最大限度地减少产生的热量。

这就是基于 GaN 的开关器件比硅 (Si) 具有明显优势的地方。其较低的串联电阻、更快的开关时间和较低的反向恢复电荷可减少损耗，从而实现更高效、更凉爽、更紧凑的开关电源。

一个例子是 XP-Power 的AQM200PS19 ，它是AQM系列的成员。该电源的额定工作电压为 19 伏/10.6 安 （A） I类操作。该装置的尺寸约为 167 × 54 × 33 毫米 （mm），是具有这些额定值的传统电源的一半，重量仅为 600 克 （g）（图 5）。

图 5：AQM200PS19 是一款 200 瓦 I 类装置，可提供 19 伏电压和高达 10.6 安培的电流，效率为 92%。 （图片来源：XP Power）

该外部电源完全符合国际医疗标准。电气参数包括小于 100 微安 (μA) 的患者漏电流、92% 的典型效率、小于 0.15 瓦的待机功耗以及 >0.9 的 PF。

该电源有 I 级和 II 级版本，额定工作温度为 0° 至 60°C。它具有符合 IP22 防护等级的完全密封外壳，其光滑的表面光洁度有助于在医疗环境中更轻松地进行清洁。

对于更高功率的系统，XP Power 提供AQM300PS48-C2，这是一款 300 瓦 II 级设备，额定输出为 48 伏/6.25 安，待机功耗低于0.5 瓦。尽管尺寸稍大，但该电源仍然非常紧凑，尺寸仅为 183 × 85 × 35 毫米，重量为 1，050 克。

XP Power 提供 AQM250PS24 ，额定功率为 250 瓦，这是一款 24 伏/10.4 安的 1 类电源，待机功耗低于 0.15 瓦。尺寸为172 × 67.1 × 32 毫米。

结论

用于医疗设备的外部独立交流/直流电源必须满足严格的监管、操作、性能、安全和效率要求。 XP Power 的 AQM 系列医疗级外部电源超越了使用 GaN器件的电源，其整体封装尺寸仅为传统 Si 装置的一半。