用于医疗电子设备的增强型技术突破

2013-05-12 21:35:55来源: 互联网

病人和医护人员的安全是医疗电子设备的重中之重,然而电子设备的效率等其他因素也至关重要。安全和效率这两个因素对DC/DC电源技术提出了相互冲突的需求。医疗增强型隔离所需的更高的隔离间隙和爬电距离会导致变压器的磁场无法达到最佳耦合,因此传统的设计会失去宝贵的效率。RECOM工程师开发了一种可以规避这种不足的新变压器概念。最近推出的“Re3-inforced”转换器具有高达6W的额定功率,与传统转换器相比,可提供显著提高的隔离电压等级和效率。

  对于工业产品中的应用,工业级隔离通常就足够了。在这些应用中,变压器的初级和次级绕组互相重叠缠绕。因此内部磁场呈现理想的叠加状态——这是实现高转换效率所必需的特性。然而,这种设计会降低安全性,因为两个绕组仅通过各自的漆包线漆膜进行隔离。在理想状况下,漆膜可以轻松地承受几千伏的测试电压。但是制造过程中产生的损坏或者由于老化引起的损坏最终会导致初级绕组和次级绕组之间发生短路。这类故障在工业电子领域会引发设备故障——而在医疗电子领域,这类故障会给病人和医护人员带来严重的安全风险。

  

  UL 60601规定“增强型”隔离的限制

  在设计用于医疗应用的设备时,开发工程师必须熟悉IEC 60601的具体规定。各个国际标准已和针对欧洲市场的EN60601或针对美国市场的UL60601一致。这两个国家标准在范围上类似,但是只有获取美国保险商实验所(Underwriters Laboratories)认证的部件才能贴上UL标志。

  医疗级DC/DC转换器的基本电气安全要求是这些转换器的隔离屏障能通过标准和故障电压的测试而不失效。由于大多数医疗应用都采用干线供电,因此一般可接受的最小隔离电压为持续的264VAC,这相当于持续时间为一秒的1600VDC的隔离测试电压。除能耐受隔离测试电压之外,UL还规定了满足各种隔离等级的最小爬电距离(走线距离)和隔离间隙(电弧距离)。图2摘自标准中发布的表。需要注意的是,该表中规定的电压为标准情况输入电压,而不是最差故障情况隔离电压。

  隔离电压和隔离等级的区别往往容易造成混淆。采用24VDC供电的医疗级DC/DC转换器必须能够耐受至少1600VDC/1秒的隔离测试电压,但是0.5mm的隔离间隙和1mm的爬电距离已经足够满足标准的要求。隔离等级的选择在于用户。

  图2:此表显示UL规定的与输入电压对应的隔离间隙和爬电距离值。增强隔离的值约比基本隔离值高三倍

  图2:此表显示UL规定的与输入电压对应的隔离间隙和爬电距离值。增强隔离的值约比基本隔离值高三倍。
更高的隔离间隙会降低变压器效率

  鉴于医疗应用需关注病人和医护人员的安全,因此通常需要最高的隔离等级(增强型)。增强型隔离变压器的初级和次级绕组具有物理隔离,并且缠绕在绝缘铁芯对应的半边上。这使得变压器能够满足更严格的内部间隙和爬电隔离要求,但却产生了一些不利的负面影响。其一是,增强型隔离变压器往往尺寸更大,这与与日俱增的小型化趋势背道而驰。由于绕组和铁芯之间的隔离增加,电磁性能也受到了影响,这会降低功率转换效率,影响最高工作温度。实际的例子包括:具有紧密缠绕的绕组的工业级隔离转换器的效率一般能达到85%,而采用传统变压器结构设计的增强型隔离的转换器的效率仅能达到75%的水平。由于较低的效率而增加的能耗可能不是非常大,但是效率更低的变压器会耗散60%的热(以发热形式失去的能量高达25%,而不是15%)。对于发热高的变压器,允许的最高环境温度+85°C需降低到+70°C左右。

  RECOM的增强型技术突破

  RECOM开发部工程师成功地发明了一种线圈绕组,这种绕组可以实现线圈绕组接近理想的布局,同时能满足UL对增强间隙和爬电规定的严格要求。这种经过特别设计的变压器铁芯和新型绝缘材料可确保更高的隔离电压、更高的效率、更高的额定功率和更高的工作温度。绕组电容被降低到1.5pF至20pF的范围内,具体取决于不同的类型。这可以保证医疗设备还要求的极低漏电流。这个新概念的名称为“Re3-inforced”,已经申请了专利。

  如图3所示,这些新型变压器(右下方)仍比具有工作隔离的变压器稍大,但是由于整流器和功率晶体管等其它元器件的尺寸小,因此这些变压器仍能充裕地适合标准外壳尺寸。这些新型转换器还具有永久性短路和过载保护功能,还可以选择具有过压保护和远程控制引脚的版本。它们具有IEC60601以及 UL60601和CSA C22.2 601-1认证,并且公认为具有增强隔离。

  图3:隔离电压为10kVDC的新型REC3.5(右边)与不适用于医疗应用的标准隔离版本的图形比较

  图3:隔离电压为10kVDC的新型REC3.5(右边)与不适用于医疗应用的标准隔离版本的图形比较。

范围为1至6W的四种额定功率——价格极具吸引力

  技术创新往往无法面面俱到——即使能够面面俱到,成本往往会很高。而新型RECOM Re3-inforced系列是一个特例!这些新型转换器的价格极具吸引力,因此使用这些转换器还具有盈利价值。价格仅略高于具有标准隔离的转换器,但是大幅低于同类竞争性产品。

  由于所有增强转换器都适合传统转换器的标准外壳尺寸(1W和2W转换器采用SIP7外壳,3.5W和6W转换器采用DIP24外壳),因此能够轻松地升级到新技术。额定功率为1W和2W的转换器(指定型号为RXX/PXX)具有6.4kVDC和8kVDC的隔离电压。效率约为88%,适合-40°C 至+85°C的完整工业工作温度范围,仅采用自然对流散热,无需降额使用。2W的转换器还提供具有更大尺寸的DIP24外壳的RV系列。这便于针对现代设计升级到新技术。

  两个采用DIP24外壳的功率更高的系列具有3.5W和6W的额定功率,可以提供8kVDC或10kVDC 的隔离。这些转换器的额定功率比标准隔离转换器的额定功率高20%左右,效率高达86%。此外,REC 3.5的最高环境温度高达+85°C,同样具有对流冷却,无需降额使用。功能更强的REC 6在同等条件下可提供高达+ 75°C的环境温度。允许的最高外壳温度为+105°C。

  

  图4:1W和2 W转换器采用SIP 7外壳,而3.5W和6W转换器采用标准DIP24外壳。

  三年保证

  RECOM 是一家欧洲公司,尽管这家公司的大多数产品都产自远东地区。开发和生产密切协作,并且均遵守欧洲质量管理标准。新产品在开发过程中均在RECOM设于奥地利格蒙登的环境测试实验室中经过全面的测试。设计的高质量和长工作寿命与新产品的电气布局同样重要。我们对生产质量和关键元件的测试规格实施不间断的监测,同时用X射线机对随机生产批次进行测试和检查,确保符合最初的基准质量标准。我们认为要过滤出低质量元器件,这种监测是必不可少的(在最近元器件短缺的形势下,我们发现知名品牌的元器件也有质量问题)。借助这些检查和控制,RECOM可以充满自信地为这些新型转换器提供三年保证。现由所有领先的分销商以现货提供样片。

关键字:医疗  电子设备  增强型  技术

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0512/article_18349.html
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