最优医用 DC/DC 转换器的选择和运用

来源：DigiKey
作者：Steven Keeping

设计一个使用交流电或电池供电的电源非常复杂。设计人员必须开发出一种解决方案，既能在不同负载下提供稳定的电压和电流，又能高效运行，以最大限度降低功耗。而且当电源用于医疗产品时，由于电磁兼容性 (EMC)、与病人电气接触的严格安全要求以及电磁干扰 (EMI) 保护等原因，设计会变得更加复杂。

对于从头开始开发医疗电源的设计人员来说，要满足这些要求可谓是费钱又费时。商用模块化 DC/DC 转换器是一种替代方案，但在选择和运用这些解决方案时必须小心谨慎。

本文简要说明了 DC/DC 转换器在电源电路中的作用，并概述了医疗应用要求的选择标准和特殊考虑因素。然后介绍了 XP Power 的实例器件，并展示了一个应用模型。

DC/DC 转换器的作用

虽然电池有额定电压，但输出会受到充电状态、峰值需求和温度等因素的影响。一个主要特征是电压输出会随着电池放电而下降。然而，集成电路和其他敏感元件需要稳定的电压才能正常工作。DC/DC 转换器通过调节输入电压提供了一种解决方案，可为最终产品提供可靠、稳定的电压输出。

DC/DC 转换器在市电供电型产品中也很常见。使用一个或多个 DC/DC 转换器时，起始 AC/DC 转换器能将交流市电调节为直流电压。然后，进一步调节电压，使之达到适合最终产品的水平。

DC/DC 转换器的拓扑结构可以是线性的，也可以是开关式的。线性稳压器是一种简单而牢固的设备，但其效率会随着输入和输出电压差的增大而降低。此外，线性稳压器只能降压，而不能升压或反转电压。无法提升电压会使电池的潜力得不到挖掘。

开关稳压器使用脉宽调制 (PWM) 开关元件，通常由一个或两个 MOSFET 以及一个或两个电感器和电容器组成，用于储能和滤波。设计人员选择开关稳压器的主要原因是其高效率和高功率密度。此外，这种稳压器还可以升压、降压和反相。

设计人员使用开关稳压器也会面临挑战，包括设计复杂性、成本以及开关元件可能产生的 EMI 问题。从零开始设计 DC/DC 开关稳压器是可能的，这种方法可以节省一些成本和空间，但比较复杂且耗时。另一种方法是从各种商用模块（如 XP Power 的 JMR 系列）中选择，这些模块将开关稳压器的主要元件集成到单个器件中，结构紧凑、性能可靠，而且易于设计导入产品（图 1）。


图 1：诸如 JMR 系列之类模块化设备会将 DC/DC 开关稳压器的主要元件集成到单个器件中，结构紧凑，性能可靠，易于设计。（图片来源：XP Power）

选择 DC/DC 转换器

选择 DC/DC 转换器时需要考虑很多因素。有些是显而易见的，例如，应用将确定输入和输出电压以及输入和输出电流。另一些则较为微妙。例如，最大限度地提高效率需要考虑最终产品的典型负载情况。此外，设计人员还应检查入选 DC/DC 转换器的规格书效率曲线，以确保最终产品通常能在转换器的效率最佳点上运行。

XP Power 的 JMR1024S05 就是医疗应用 DC/DC 转换器的典例。该转换器是一种超紧凑的印刷电路板（PC 板）安装式医疗器件，尺寸为 20.3 x 31.8 x 10.2 毫米 (mm)，通孔引线为 3 mm。其输出电压为 5 V，标称输入电压为 24 V（最低 9 V，最高 36 V）。该模块的最大输出电流为 2 安培 (A) ，满载输入电流为 491 毫安 (mA)。输出纹波电压的峰峰值 (pk-pk)为 75 毫伏 (mV)，效率为 84.9%。

该模块的空载功耗低至 6 mA，从而提高了效率，降低了功耗。通过远程抑制模块，可进一步节省 3 mA 的空载功耗（图 2）。如果引脚 1 为开路，则模块处于导通状态；如果引脚 1 连接到 2 mA 至 4 mA 的电流源，或者引脚 1 相对于引脚 2 施加了 2.2 V 至 12 V 的电压，则模块处于断开状态。


图 2：通过远程抑制模块，可将 JMR1024S05 的空载功耗降至 3 mA。（图片来源：XP Power）

XP Power 在其 10 瓦产品线中提供了替代产品。例如，JMR1048S12 的标称输入电压为 48 V（18 V 至 75 V），输出电压为 12 V，最大输出电流为 833 mA。满载输入电流为 237 mA，在此条件下工作时，效率为 88%。

JMR1012D15 的标称输入电压为 12 V（4.5 V 至 18 V），输出电压为 ±15 V，最大电流为 333 mA。满载输入电流为 957 mA，在此条件下工作时，效率为 87%。

JMR 10 瓦系列的开关频率为 300 千赫 (kHz)。

医疗应用的特殊要求

医疗产品对 DC/DC 转换器的要求更高，因为终端产品中使用的电气元件必须符合严格的 IEC 60601-1 医疗安全标准。

根据 IEC 60601-1，“触身部件”是指医疗设备中与患者身体直接接触的元件，或在产品正常使用过程中可能与患者接触的部件。该标准根据与患者接触的类型和医疗设备的性质来定义触身部件。

B 型分类适用于一般不导电并可接地的触身部件。BF 型（身体浮动）适用于与患者电气连接且必须浮动并与接地隔离的的触身部件。BF 型不包括与心脏直接接触的触身部件。CF 型（心脏浮动）分类适用于直接连接心脏的触身部件。CF 型触身部件必须是浮动的，并与接地分离。

与患者连接的医疗设备必须提供保护措施 (MOP)，以防止触身部件（和其他可接触部件）超过电压、电流或能量限制。符合要求的保护接地连接要提供 1 x MOP（一重保护措施），基本隔离也要提供 1 x MOP，加强绝缘则要提供 2 x MOP（双重保护措施）。

MOP 可进一步分为操作员保护措施 (MOOP) 和病人保护措施 (MOPP)。在用于连接病人的设备中，需要 2 x MOPP。

用于 BF 和 CF 型医疗设备的电源从初级侧到次级侧必须提供 2 x MOPP 并从初级到接地提供 1 x MOPP。对于最高额定级输入交流线路电压，电源的任何次级输出到接地必须采取 1 x MOPP 级的额外安全隔离。表 1 显示了 MOOP 和 MOPP 应用中基本 (1 x MOP) 和加强 (2 x MOP) 绝缘适用的空气间隙、爬电距离和测试电压。


表 1 显示了 MOOP 和 MOPP 应用中基本 (1 x MOP) 和加强 (2 x MOP) 绝缘适用的空气间隙、爬电距离和测试电压。（表格来源：XP Power）

除了用于 MOOP 和 MOPP 应用的 MOP 外，医疗设备电源的设计还必须限制接触电流、患者辅助电流和患者漏电电流。在正常情况下，接触电流的最大允许值为 100 微安 (μA)，在单故障情况下为 500 微安 (SFC)。这一要求有效地将正常运行时的系统接地漏电电流限制在 500 μA。

对接触电流、患者辅助电流和患者漏电电流的要求是设计人员面临的一项挑战。他们必须确保电源提供所需的安全隔离，同时在正常运行时尽量减少漏电电流，并在故障情况下要将病人进行接地隔离来提供保护。

最后，医疗设备必须符合 IEC 60601-1-2 中所列的 EMC 要求。这些要求旨在提高设备的抗干扰能力，避免许多无线通信设备靠近生命攸关的设备而造成问题。这些要求的次要目的是为医院外使用的设备提供电磁兼容性指导，因为医院外的电磁兼容环境往往较难控制。

使用 DC/DC 转换器作为第二隔离级

通过仔细选择 DC/DC 转换器来引入第二隔离级，可以减轻特殊医疗要求对设计带来的挑战。增加这一级可实现交流线路电压的基本隔离。它还最大限度地减少了输入到输出的电容（约为 20 至 50 皮法 (pF)），这反过来又将潜在的病人漏电电流减少到几个微安（图 3）。


图 3：经认可的 DC/DC 转换器（右）可用于对触身部件进行电压调节，同时为 1 x MOPP 提供次级隔离，并最大限度地降低潜在的患者漏电电流。（图片来源：XP Power）

例如，上述 XP Power JMR 系列 10 瓦 DC/DC 转换器具有 IEC60601-1 医疗安全机构认证、2 x MOPP 5 千伏 (kV) 交流增强隔离、17 pF 隔离电容和 2 μA 病人漏电电流，可轻松集成到各种 BF 和 CF 医疗应用中。

为了使最终产品符合 IEC 60601-1-2 的要求，可在医疗设备系统和控制装置与 DC/DC 转换器之间的电路中加入 EMC 滤波，这不会影响隔离或低漏电电流。图 4 显示了针对浪涌和电气快速瞬态 (EFT) 以及 EMI B 类要求的推荐 EMC 滤波电路。


图 4：所示为与 JMR10 系列 DC/DC 转换器一起使用的针对浪涌、EFT 和 EMI B 类要求推荐的 EMC 滤波电路。（图片来源：XP Power）

表 2 列出了使用输入电压为 12 V、24 V 和 48 V 的 JMR10 系列器件时，这些电路的推荐元件参数值。


表 2：图 4 所示电路的推荐元件参数值。（表格来源：XP Power）

结语

模块化和高集成度 DC/DC 转换器简化了可靠、高性能医疗系统电源的设计。但是选择时设计人员必须小心从事，应选择通过 IEC 60601-1 认证的设备，确保其符合该标准对操作员和患者安全以及 EMC 的要求。