使用 GaN 器件可以減小外置醫用 AC/DC 電源的體積

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

盡管電池技術和低功耗電路不斷取得進步，但對于許多應用來說，完全不依賴純電池設計可能是不可行、不適用和無法接受的。醫療系統就屬于這類應用。相反，設備通常必須直接通過 AC 線路運行，或至少在電池電量不足時連接 AC 插座即可運行。

除了滿足基本的 AC/DC 電源性能規范外，醫用電源產品還必須符合監管要求，即滿足電隔離、額定電壓、泄漏電流和保護措施 (MOP) 等不那么明顯的性能要求。制定這些標準是為了確保用電設備即使在電源或負載出現故障時，也不會給操作員或病人帶來危險。與此同時，醫療電源的設計者必須不斷提地高效率，減小體積和重量。

本文將討論醫療儀器使用外置式 AC/DC 電源的問題，并回顧相關的監管標準。然后介紹 [XP Power] 的產品。設計者可利用這些產品滿足各種監管標準，同時還可利用氮化鎵 (GaN) 功率器件將電源的實際尺寸縮小近一半。

電源設計的基本要求

選擇 AC/DC 電源時，首先要考慮標準的電源性能指標。電源必須提供標稱 DC 電壓，并能在該電壓下提供支持負載所需的額定電流。通用電源必須能適應頻率為 47 Hz 至 63 Hz 的各種 AC 輸入電壓（通常為 85 VAC 至 264 VAC）。

雖然輸入和輸出電壓及額定電流至關重要，但不足以完全定義一個電源。其他考慮因素包括:

• 動態性能屬性，例如啟動延遲、啟動上升時間、保持時間、線路和負載調節、瞬態響應、紋波和噪聲以及過沖
• 過載、短路和超溫保護
• 效率要求是電源最大額定功率的函數，必須在負載曲線上具有特定值，包括滿載點、低負載點和空載點
• 功率因數 (PF) 接近于 1，具體的 PF 值取決于功率水平和控制監管標準
• 電磁兼容性 (EMC)，用于描述電源的最大電磁干擾 (EMI) 和射頻干擾 (RFI) 以及對靜電放電 (ESD)、輻射能量、突發能量事件、線路浪涌和磁場的敏感性
• 安全，定義了用戶和設備的基本保護要求，包括輸入與輸出、輸入與地和輸出與地之間的隔離電壓

對醫用電源的要求

在評估醫療應用電源時，額外的標準和監管規定使得問題更加復雜。這主要涉及病人和操作人員的安全，確保在發生單故障甚至雙故障時，電源不會危及其中任何一方。

受人們關注的大部分問題都與雜散電流或泄漏電流有關。線路標準電壓（110/230 V；50 Hz 或 60 Hz）即使只持續幾分之一秒，也可能在低至 30 mA 的電流下誘發心室顫動。如果電流直接流經心臟，例如通過心導管或其他電極，那么小于 1 mA（AC 或 DC）的電流就會導致心顫。

這些是電流通過接觸皮膚表面流經人體時經常引用的一些標準閾值。相比之下，發生內部接觸時的危險電流要低得多：

• 1 mA：幾乎感覺不到
• 16 mA：一個普通身材的人能夠抓住并“放手”的最大電流
• 20 mA：呼吸肌麻痹
• 100 mA：心室顫動閾值
• 2 A：心臟停跳和內臟受損

風險等級也是電流流經身體上兩個接觸點的路徑的函數，例如穿過或通過胸部或從手臂一直流到腳。因此，最大限度地降低通過 AC 隔離變壓器絕緣介質的泄漏電流至關重要。

如果絕緣質量足夠好，泄漏電流似乎可以忽略不計。不過，雖然這種泄漏可能是由于絕緣材料的特性不完美而造成的物理“泄露”電流，但它也可能是由于電容耦合電流造成的，這些電流甚至可以穿過特殊的絕緣材料。

理想變壓器的簡化模型顯示了其初級側和次級側之間具有完美的電隔離（阻性）（圖 1）。

圖 1：變壓器的基本模型顯示，初級側和次級側之間沒有電流通路。（圖片來源：Power Sources Manufacturers Association）

在理想的變壓器中，即使部件或線路故障在次級側提供了新的電流路徑，也不會有電流直接從 AC 電源流向受電產品，從而形成一個完整的電流回路返回 AC 電網。然而，沒有一臺變壓器是完美無缺的，初級到次級間存在互繞電容 （圖 2）。

圖 2：一臺更逼真的模型顯示了一次側和二次側之間的基本互繞電容 (C ps1 )。（圖片來源：Power Sources Manufacturers Association）

更復雜的模型增加了額外的互繞電容源（圖 3）。

圖 3：除第一互繞電容 (C ps1 ) 外，還有其他變壓器電容。（圖片來源：Power Sources Manufacturers Association）

這種意外電容會造成泄漏電流流動，這種電容值與許多變量有關，如線徑、繞組模式和變壓器的幾何形狀。該電容值范圍從低至一個皮法 (pF) 到幾個微法 (μF)。除了變壓器容性漏電外，其他意外電容源自包括印刷電路板上的間距、半導體和接地散熱器之間的絕緣，甚至其他部件之間的寄生效應。

由電容引起的變壓器漏電流并不是醫療電源規范要解決的唯一問題?；镜?AC 安全和絕緣是首要任務。根據電壓和功率等級的不同，除了主隔離層外（或稱物理加固型隔離層），電源可能還需要第二個獨立的隔離層。隨著時間的推移，絕緣性能也會因極端溫度、高電壓應力和電壓浪涌而降低，但仍能達到其額定值。

第一隔離層通常被稱為“基本隔離層”。例如電線絕緣層。第二隔離層通常是絕緣外殼，如許多壁掛式電源和臺式電源。

標準和保護措施 (MoP)

管理醫療電子設備和安全的主要標準是 IEC 60601-1 標準。最新版（第 4^ ^版）擴大了對患者的關注范圍，要求將一個或多個 “操作員保護措施”(MOOP) 和“患者保護措施”(MOPP) 相結合，形成一種整體保護措施 (MOP)。

監管標準還圍繞如何提供 MOOP 設立了保護等級。這些標準分為 I 類和 II 類，對電源的結構和絕緣進行了詳細規定。I 類產品的導電底盤與安全接地相連。為了簡化就地墻壁插頭的兼容性，該電源配備 IEC320-C14 插座，方便用戶提供的帶安全接地導體的電源線（圖 4，左）。

相比之下，II 類電源的電源線采用雙線制，帶有安全接地連接（圖 4，右）。由于沒有接地底盤，用戶和內部載流導體之間存在兩層絕緣（或單層強化絕緣）。

圖 4：I 類（左）和 II 類（右）設備采用接地三線制或不接地兩線制 AC 線路連接，通常與標準 IEC 插座和用戶提供的電源線一起使用。（圖片來源：XP Power）

因此，任何指定用于醫療應用并被認證為 I 類或 II 類的 AC/DC 電源都必須經過專門設計，并按照相關標準進行測試。幸運的是，XP Power 等電源供應商了解提供符合這些標準的電源所需的技術、制造和認證問題。

尺寸也很重要

對醫用 AC/DC 電源的技術要求和監管規定與物理尺寸無關，但尺寸卻很重要。在空間有限的情況下，如在救護車或臨床環境中，移動小車和辦公桌的空間有限，大型電源會使現場操作安排復雜化。

在這種情況下，減小 AC/DC 電源的尺寸會有好處，但這也是一項挑戰。由于需要遵守有關絕緣、爬電和間隙等的監管標準，最小電源尺寸會受到限制。

縮小電源的另一個問題是散熱。如果電源的體積和封裝表面積不足，其內部溫度就會高于較大型電源，從而降低內部的有源、無源和絕緣元件的性能。由于可能出現的氣流阻塞、長期可靠性問題和增加環境噪聲，因此不宜采用強制風冷。

此外，電源內部的熱量可能會導致電源外殼溫度升高，超出允許范圍，給病人和操作人員帶來危險?？s小電源體積的關鍵在于使用適當的電路開關元件，將產生的熱量降至最低。

與硅 (Si) 器件相比，基于 GaN 的開關器件在這方面的優勢明顯。這類器件的串聯電阻更小、開關時間更快、反向恢復電荷更低，從而降低了損耗，使開關電源的效率更高、溫度更低、結構更緊湊。

例如 XP-Power 的 [AQM200PS19] 電源。這款電源屬于 [AQM]系列。該電源的額定值 19 V/10.6 A，屬于 I 類運行。該電源的尺寸約為 167 × 54 × 33 mm，是具有相同額定值的傳統電源體積的一半，且重量僅為 600 g（圖 5）。

圖 5：AQM200PS19 是一款 200 W、I 類電源，能以高達 10.6 A 的電流提供 19 V 電壓，其效率高達 92%。（圖片來源：XP Power）

該外置式電源完全符合國際醫療標準。其電氣參數包括：患者漏電流小于 100 μA，典型效率為 92%，待機功耗小于 0.15 W 且 PF > 0.9。

該電源有 I 類和 II 類兩種型號，額定工作溫度為 0°C 至 60°C。這種電源的采用全密封外殼，符合 IP22 防護等級，表面光滑，便于在醫療環境中清潔。

對于功率更大的系統，XP Power 提供 [AQM300PS48-C2]300 W、II 類電源。這款電源的額定值為為 48 V/6.25 A，待機功耗低于 0.5 W。雖然體積稍大，但這款電源依然外形緊湊，僅為 183 × 85 × 35 mm，重 1050 克。

XP Power 的 [AQM250PS24] 額定功率為 250 W，是一款 24 V/10.4 A、I 類電源，待機功耗低于 0.15 W。這款電源的體積為 172 × 67.1 × 32 mm。

結束語

用于醫療設備的外置式獨立 AC/DC 電源必須滿足嚴格的監管、操作、性能、安全和效率要求。XP Power 的 AQM 系列醫療級外部電源采用 GaN 器件，其整體封裝尺寸僅為傳統硅器件電源的一半，超過了上述標準。