作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

盡管電池技術和低功耗電路取得了進步，但醫療系統是完全不受束縛的純電池設計可能不可行、不實用或不可接受的眾多應用之一。相反，設備通常必須直接通過交流線路運行，或者至少能夠在電池電量低時依靠交流電源插座進行運行。

除了滿足基本的交流/直流電源性能規范外，醫療電源還必須符合不太明顯的性能考慮因素的監管要求，例如電流隔離、額定電壓、泄漏電流和保護手段
（MOP）。這些標準的制定是為了確保即使電源或負載出現故障，供電設備也不會將操作員或患者置于危險之中。與此同時，醫療電源設計人員必須不斷提高效率并減小尺寸和重量。

本文討論了外部交流/直流電源在醫療儀器中的使用，并回顧了相關的監管標準。然后介紹了XP
Power的產品，設計人員可以使用這些產品來滿足這些標準，同時還利用氮化鎵 （GaN） 功率器件將電源的物理尺寸減小近一半。

基本電源設計要求

選擇交流/直流電源首先要考慮標準電源性能指標。電源必須提供標稱直流電壓，并能夠在該電壓下提供額定電流以支持負載。通用電源必須能夠適應頻率為 47 至 63
赫茲 （Hz） 的寬范圍交流輸入電壓（通常為 85 伏交流 （VAC） 至 264 VAC）。

這些輸入和輸出電壓和電流額定值至關重要，但不足以完全定義電源。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

防止過載、短路和過熱

效率要求，它是電源最大額定功率的函數，并且必須沿著負載曲線具有特定值，包括滿負載、低負載和空載點

功率因數 （PF） 接近于 1，其中特定 PF 數是功率水平和控制監管標準的函數

電磁兼容性 （EMC），表征電源的最大電磁干擾 （EMI）/射頻干擾 （RFI） 及其對靜電放電
（ESD）、輻射能量、突發能量事件、線路浪涌和磁場的敏感性領域

安全，定義了保護用戶和設備的基本要求，包括輸入與輸出之間、輸入對地、輸出對地之間的隔離電壓

醫療電源的要求

在評估醫療應用電源時，額外的標準和監管要求使問題變得更加復雜。這些主要關系到患者和操作員的安全，確保電源在發生單一故障甚至雙重故障時不會面臨風險。

大多數問題與雜散電流或漏電流有關。胸部的標準線電壓（110/230 伏；50 或 60 赫茲），即使只持續不到一秒，在低至 30 毫安 （mA）
的電流下也可能誘發心室顫動。如果電流直接到達心臟，例如通過心導管或其他電極，則低于 1 mA（交流或直流）的低得多的電流可能會導致顫動。

這些是經常引用的一些標準閾值，用于通過皮膚表面接觸流經身體的電流，而內部接觸的危險數字要低得多：

1 mA：幾乎察覺不到

16 mA：普通身材的人可以抓住并“放開”的最大電流

20 mA：呼吸肌麻痹

100 mA：心室顫動閾值

2 A：心臟驟停和內臟器官損傷

風險水平也是流經與身體的兩個接觸點的電流路徑的函數，例如穿過或穿過胸部，或從手臂向下到腳。這就是為什么最大限度地減少通過交流隔離變壓器介電絕緣層的漏電流至關重要。

如果絕緣質量足夠好，泄漏電流量似乎可以忽略不計。然而，雖然這種泄漏可能是由于絕緣體的不完美性質而物理“泄漏”的電流，但它也可能是由于電容耦合電流甚至可以穿過異常絕緣體而引起的。

理想變壓器的簡化模型顯示了其初級側和次級側之間的完美電流（歐姆）隔離（圖 1）。

圖 1：變壓器的基本模型顯示從初級側到次級側沒有電流路徑。 （圖片來源：電源制造商協會）

使用理想的變壓器，即使組件或接線故障在次級側提供了新的電流路徑，也沒有電流可以直接從交流電源流到受電產品以形成完整的電流環路返回交流電源。然而，沒有一個變壓器是完美的，初級到次級繞組間電容是預期的（圖 2）。

圖 2：更真實的模型顯示了初級側和次級側之間的基本繞組間電容 (C PS1 )。 （圖片來源：電源制造商協會）

更復雜的模型添加了額外的繞組間電容源（圖 3）。

* 圖 3：除了第一個中間繞組 (C ps1 )之外，還有其他變壓器電容。 （圖片來源：電源制造商協會）*

這種不需要的電容會產生漏電流，其值是許多變量的函數，例如電線尺寸、繞組模式和變壓器幾何形狀。該值的范圍可以從低至一皮法 (pF) 到幾微法拉 (μF)。除了基于變壓器電容的泄漏之外，意外電容的其他來源還包括印刷電路板 (PC 板) 上的間距、半導體和接地散熱器之間的絕緣以及其他組件之間的寄生效應。

由于電容引起的變壓器漏電流并不是醫療電源法規所關注的唯一問題。基本的交流安全和絕緣是首要任務。根據電壓和功率水平，除了主屏障（或物理強化絕緣）之外，電源可能還需要第二個獨立的絕緣屏障。由于極端溫度、高壓引起的應力和電壓浪涌，絕緣性能也會隨著時間的推移而降低，盡管它可能仍符合其額定值。

第一層絕緣通常稱為“基本絕緣”。一個例子是電線絕緣。第二層通常是絕緣外殼，如許多壁掛式和臺式電源中所見。

標準和保護手段 (MoP)

管理醫療電子和安全的主要標準是 IEC 60601-1。最新（第 4 ^版^ ）版本通過要求結合一種或多種“操作員保護手段”(MOOP) 和“患者保護手段”(MOPP) 的整體保護手段 (MOP) 擴展了對患者的關注。

監管標準還圍繞 MOOP 的提供方式創建了保護等級。它們被指定為 I 類和 II 類，并管理電源的結構和絕緣。 I 類產品具有連接到安全接地的導電底盤。為了簡化本地墻壁插頭兼容性，該電源具有一個 IEC320-C14 插座，用于連接用戶提供的帶安全接地導體的電源線（圖 4，左）。

相比之下，II 類電源具有帶安全接地連接的兩線電源線（圖 4，右）。由于沒有接地底盤，用戶和內部載流導體之間有兩層絕緣（或單層加強絕緣）。

圖 4：I 類（左）和 II 類（右）單元具有接地三線或不接地兩線交流線路連接，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）

結果是，任何指定用于醫療應用并經過 I 類或 II 類認證的 AC/DC 電源都必須根據相關標準進行專門設計和測試。幸運的是，XP Power 等電源供應商了解提供滿足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

對醫療 AC/DC 電源施加的技術要求和監管要求與物理尺寸無關，但尺寸很重要。大量供應使空間有限的就地操作安排變得復雜，例如在救護車或移動推車和辦公桌空間有限的臨床環境中。

在這些情況下，減小交流/直流電源的尺寸將是有益的，但這也是一個挑戰。最小供電尺寸受到遵守絕緣、爬電距離和間隙等監管指南的限制。

縮小電源供應的另一個問題是散熱。如果電源的體積和封裝表面積不足，其內部溫度將高于較大電源的溫度，從而降低內部有源、無源和絕緣元件的性能。由于潛在的氣流阻塞、長期可靠性問題以及增加的環境噪音，強制風冷是不可接受的。

此外，產生的熱量可能會導致供應箱的表面溫度升高到超出可接受的范圍，從而使患者和操作人員面臨危險。縮小電源供應的關鍵是使用適當的電路開關元件來最大限度地減少產生的熱量。

這就是基于 GaN 的開關器件比硅 (Si) 具有明顯優勢的地方。其較低的串聯電阻、更快的開關時間和較低的反向恢復電荷可減少損耗，從而實現更高效、更涼爽、更緊湊的開關電源。

一個例子是 XP-Power 的AQM200PS19 ，它是AQM系列的成員。該電源的額定工作電壓為 19 伏/10.6 安 （A） I類操作。該裝置的尺寸約為 167 × 54 × 33 毫米 （mm），是具有這些額定值的傳統電源的一半，重量僅為 600 克 （g）（圖 5）。

圖 5：AQM200PS19 是一款 200 瓦 I 類裝置，可提供 19 伏電壓和高達 10.6 安培的電流，效率為 92%。 （圖片來源：XP Power）

該外部電源完全符合國際醫療標準。電氣參數包括小于 100 微安 (μA) 的患者漏電流、92% 的典型效率、小于 0.15 瓦的待機功耗以及 >0.9 的 PF。

該電源有 I 級和 II 級版本，額定工作溫度為 0° 至 60°C。它具有符合 IP22 防護等級的完全密封外殼，其光滑的表面光潔度有助于在醫療環境中更輕松地進行清潔。

對于更高功率的系統，XP Power 提供AQM300PS48-C2，這是一款 300 瓦 II 級設備，額定輸出為 48 伏/6.25 安，待機功耗低于0.5 瓦。盡管尺寸稍大，但該電源仍然非常緊湊，尺寸僅為 183 × 85 × 35 毫米，重量為 1，050 克。

XP Power 提供 AQM250PS24 ，額定功率為 250 瓦，這是一款 24 伏/10.4 安的 1 類電源，待機功耗低于 0.15 瓦。尺寸為172 × 67.1 × 32 毫米。

結論

用于醫療設備的外部獨立交流/直流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超越了使用 GaN器件的電源，其整體封裝尺寸僅為傳統 Si 裝置的一半。