【導(dǎo)讀】專業(yè)和家庭醫(yī)療保健是一個快速發(fā)展的市場。從生命體征到床墊傳感器，越來越多的電子監(jiān)控用在許多的事物上。在許多情況下，電子設(shè)備的電源需要電氣隔離。本文將解釋為什么在這些情況下需要電氣隔離，同時介紹所需的安全標(biāo)準(zhǔn)，并以板載DC/DC轉(zhuǎn)換器為例，提供一些規(guī)范和說明。
在歐盟，醫(yī)療器械必須符合MDD指令93/42/EEC Article 3的要求，市場上的產(chǎn)品必須符合Article 3、ER1、Annex I、Annex II、Annex III及Annex VII的風(fēng)險分析指定要求。這是為了確保設(shè)備的安全性和基本性能，特別是要保護(hù)操作員和患者免受電擊。如果產(chǎn)品符合ES/EN/IEC 60601-1（目前為第4版），則推定產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)。
AC/DC轉(zhuǎn)換器的隔離要求十分明確
醫(yī)療應(yīng)用中使用的AC/DC轉(zhuǎn)換器需要高級別的防觸電保護(hù)的原因淺而易見，如果手術(shù)期間沒有高級別的防觸電保護(hù)，高壓交流電可能會直接接觸到患者、甚至是患者器官，形成致命的安全隱患。醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn)為操作員和患者明確地定義了兩個等級的隔離或保護(hù)措施（MOP）。每個等級必須有兩個MOP，分別是2MOOP和2MOPP。針對醫(yī)療設(shè)備是否和患者直接接觸又分為三個進(jìn)一步的定義：
B型：不與患者直接接觸，可能接地。
BF型：連接患者但不直接連接心臟，不接地。
CF型：連接患者心臟，不接地。
與所有安全標(biāo)準(zhǔn)一樣，環(huán)境因素也會影響隔離特性，例如系統(tǒng)電壓、污染程度、過電壓等級以及海拔高度。是否有功能性接地（FE）或保護(hù)接地（PE）、都是重要的因素。
DC/DC也需要隔離
在醫(yī)療設(shè)備中，通常需要DC/DC轉(zhuǎn)換器，把輸入電壓轉(zhuǎn)換為電路中所需的實(shí)際值，用來驅(qū)動諸如傳感器的外圍設(shè)備。該DC/DC裝換器的輸入電壓來源于電池或AC/DC的電源，在大多數(shù)的情況下，DC/DC輸入是低電壓，如5V或12V，并以低電壓輸出，如+/-5V或3.3V。盡管輸入和輸出電壓很低并且在“安全”電壓的定義范圍內(nèi)，且從功能來說不一定需要隔離，但是隔離可以斷開輸入和輸出的地回路以幫助控制電磁干擾（EMI）或產(chǎn)生負(fù)電壓，并且出于安全原因仍然必須要有隔離。
DC/DC和AC/DC可能成為醫(yī)療核準(zhǔn)系統(tǒng)的一部分
交流供電的醫(yī)療設(shè)備必須使用具有隔離系統(tǒng)的“醫(yī)療認(rèn)證”電源以滿足應(yīng)用要求，例如符合歐洲的IEC 60601標(biāo)準(zhǔn)的2 x MOOP或2 x MOPP要求，以及美國的ANSI/AAMI ES 60601標(biāo)準(zhǔn)。這些電源的市場有限，因此通常比工業(yè)或商業(yè)電源更昂貴，選擇也相對有限。如果要使用價格更低、有IT安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證（如EN 60950-1或EN 62368-1）的大眾市場產(chǎn)品，有一種方法是“串”在一起（圖1）加強(qiáng)隔離等級來達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。AC/DC輸出與接觸到操作員或患者的電路之間的DC/DC轉(zhuǎn)換器可以提供另一層隔離?？傮w成本可能遠(yuǎn)低于購買認(rèn)證的專用醫(yī)療用品。但是，醫(yī)療設(shè)備中的漏電流的也有明確的規(guī)定，而絕大部份的IT級電源會超出醫(yī)療電源標(biāo)準(zhǔn)的要求?？梢栽贏C/DC中減少或去除線路與地之間的'Y'型電容器來減少漏電流，但這是以犧牲EMI作為代價，因此必須通過其他的方式來抑制EMI。符合IEC 60950-1的AC/DC僅針對保護(hù)操作員，但在醫(yī)療環(huán)境中，AC線路和中性線必須有保險絲，每個熔斷容量為1500A。此外，系統(tǒng)必須遵守最新版本的IEC 60601（第4版）所修訂的EMC規(guī)范，因此使用IT級電源來替代醫(yī)療電源不見得是一個簡單的方案。
圖一：串聯(lián)“保護(hù)措施”
DC/DC可防止故障電流以患者或醫(yī)護(hù)人員為導(dǎo)體形成回路
醫(yī)療系統(tǒng)風(fēng)險評估的其中一個安全要求是必須考慮到設(shè)備故障。最糟糕的情況是患者或操作員成為接觸到故障設(shè)備的導(dǎo)體，即發(fā)生“單一失效狀態(tài)”（SFC），如果電流通過人體流向地面，則可能會導(dǎo)致人員傷亡。因此設(shè)備與患者的接觸必須與地隔離，隔離程度須達(dá)到指定的級別?！芭c地隔離”是一種相對的衡量標(biāo)準(zhǔn)；通過連接多個設(shè)備，
從患者到地總是會有一些雜散或寄生電容，容許約50/60Hz的電流。由于不同路徑的電流會累加，因此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范每個源頭僅能有非常低的電流（圖2）。
圖2：不同醫(yī)療應(yīng)用允許的最大漏電流。 NC =正常狀態(tài)
DC/DC轉(zhuǎn)換器通常作為額外的隔離以提供單一失效狀態(tài)的保護(hù)。設(shè)備可以是交流線供電、滿足class I或class II要求的設(shè)備、或電池供電、手持的，以及任何未指定的連接，例如通過以太網(wǎng)連接到網(wǎng)絡(luò)，或者通過USB連接到數(shù)據(jù)記錄器或打印機(jī)。電纜可能有或沒有屏蔽，也可能有或沒有接地。因此，DC/DC的隔離級別的規(guī)范不是那么容易制定的。圖3為DC/DC轉(zhuǎn)換器的例子，用于class II設(shè)備（無接地、塑料外殼）。這里主要的AC/DC隔離（B）為2 x MOOP保護(hù)，而在總體需2 x MOPP的 BF或CF情況中，為接觸患者身體部件供電的DC/DC僅需1 x MOPP。請注意，DC/DC隔離必須滿足額定系統(tǒng)電壓（在這種情況下為240VAC），塑料外殼的厚度必須至少1mm并具有恰當(dāng)?shù)碾姎忸~定值，并且沒有其他的外部器件或設(shè)備連接到低壓電路。
圖3：使用高隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器、Class II設(shè)備的連接情況
另一個例子如圖4所示，class I（接地）、金屬外殼、AC輸入的設(shè)備供電給與患者接觸的BF或CF的觸身部件。設(shè)備電源的低壓側(cè)（SIP/SOP）也有未指定的輸入/輸出信號連接到其他的外部設(shè)備。
圖4：使用高隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器、Class I設(shè)備的連接情況
在該示例中，請注意，即使240VAC（B）的主隔離是2 x MOOP，DC/DC轉(zhuǎn)換器（D）仍需要2 x MOPP，因?yàn)榇嬖谖粗付ǖ倪B接，因此AC/DC轉(zhuǎn)換器的低壓48V輸出側(cè)，在系統(tǒng)電壓（240VAC）下故障的情況也須納入考慮之中。因此，DC/DC轉(zhuǎn)換器（D）的隔離額定值必須還是240VAC。DC/DC輸出也必須與1 x MOPP的金屬外殼（E）隔離。如果設(shè)備電源的低壓側(cè)（SIP/SOP）連接被指定為對系統(tǒng)電壓具有2 x MOOP隔離，并且不能被意外地替換，則隔離屏障D可以減小到1 x MOPP。圖中的“BOP”是AC線和中性線之間的“基本反極性”隔離。
其他的DC/DC規(guī)格也很重要
正常和單一失效條件下的隔離能力和漏電流是醫(yī)療級DC/DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用主要要求，除此之外它受限于產(chǎn)品的內(nèi)部變壓器溫度，材料可燃性和所有可能發(fā)生的危險例如火災(zāi)、煙霧、燃燒和機(jī)械故障等都必須在風(fēng)險分析中加以考慮。
醫(yī)療應(yīng)用的DC/DC實(shí)用設(shè)計
在微型DC/DC轉(zhuǎn)換器中，特別是在變壓器周圍和內(nèi)部，同時滿足必須的爬電距離和電氣間隙非常具有挑戰(zhàn)性。在變壓器中利用物理間距來達(dá)到適當(dāng)?shù)母綦x級別是不太可能的。需要專業(yè)技術(shù)，包括使用三層絕緣線（TIW）來形成重疊的三層導(dǎo)線絕緣層。雜散電容的漏電流通常很低，但是DC/DC可能需要一些額外的外部輸入-輸出電容來符合抑制系統(tǒng)共模噪聲的規(guī)定。如果安裝了這些電容，電容會跨越隔離層，而且必須使用正確的安規(guī)‘Y’型電容以保持低漏電流來滿足預(yù)期應(yīng)用。因此，會優(yōu)先選擇低EMI的DC/DC轉(zhuǎn)換器。
商業(yè)解決方案
RECOM[1]通過低成本的REMxE系列解決了醫(yī)療應(yīng)用的DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計挑戰(zhàn)。轉(zhuǎn)換器使用貼片器件完成DIP24封裝，額定功率為3.5W、5W以及6W。輸入范圍為2：1，標(biāo)稱電壓為5V、12V、24V以及48V，提供一系列穩(wěn)壓單輸出和雙輸出的選擇。該系列所有產(chǎn)品在250VAC時均有2 x MOPP額定值，內(nèi)、外部爬電距離和電氣間隙均>8mm，最大漏電流為1μA。工作溫度范圍為-40°C至+85°C，3.5W轉(zhuǎn)換器無降額，而5W和6W的分別從80°C和75°C開始降額。板載隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備安全評級的重要輔助，RECOM以優(yōu)勢的價格提供符合法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)解決方案。
文獻(xiàn)
RECOM: www.recom-power.com/medical
Please refer to the DC/DC Book of Knowledge,
來源：RECOM
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