Choosing The Right DC-DC Converter For Your Critical Medical Application

DC-DC 转换器的用例涵盖广泛的行业，从航空航天和军事应用到商业和工业领域。无论所采用的 DC-DC 转换器的电路拓扑如何，设计人员都必须满足基本参数、认证和加固级别，才能满足最严格的医疗要求。

围绕电源或转换器的医疗应用的认证和测试主要由它们的隔离和漏电流来定义。这两个参数都与患者在与电源电接触时所经历的保护水平有关。然而，在选择 DC-DC 转换器时，还需要考虑无数其他参数，以确保在设备的整个生命周期内实现最佳性能。本文深入探讨了医疗级 DC-DC 转换器的认证以及选择这些设备时要查看的基本参数。

医疗设备中的电源注意事项
电子医疗设备的电源解决方案范围与应用本身一样多种多样。在电源（例如，电池、插座、发电机等）、供电网络 (PDN) 和连接的电路（例如，传感器、执行器、处理器等）之间，至关重要的是每个组件在名义上发挥作用 断电、电压波动或潜在干扰的情况。对于呼吸机而言，这意味着电池等储能设备需要在断电时迅速切换到备用电源。这避免了呼吸机在使用柴油发电机等长期备用电源之前关闭的灾难性故障模式。

医疗设备应该能够容忍围绕其标称值的一定程度的电压波动。同样的推理适用于所有重要的医疗设备，例如血压计、保育箱、除颤器和透析机。在系统层面，可能会采用冗余备用电源和储能设备。然而，在设备层面，电源和/或 AC-DC 和 DC-DC 转换必须确保电磁兼容 (EMC) 以及过流、过压、过载、短路和过热保护，以最大限度地减少 不需要的发射并保护组件和负载免受不良条件的影响。

设备对操作员和患者的安全性在医疗应用中也很重要。大多数安全标准都提供了参数和测试指南，以确保这种安全水平。但是，设备的质量取决于一些基本的电气和机械规格。

DC-DC 转换器的基本参数
DC-DC 转换器几乎存在于任何电子医疗设备中，以获取输入 DC 信号并提供严格调节的输出 DC 信号。无论 DC-DC 转换器的拓扑结构如何，都有特定的电气、热和机械变量对于针对特定终端应用进行优化至关重要。最基本的参数是用例所需的输入电压和输出电压以及输出电流/功率，它们很容易由系统要求定义。 DC-DC 转换器开始凭借效率、功率密度、可靠性和认证/标准合规性等因素脱颖而出。高功率密度将使设计人员能够通过在更小的外形尺寸中安装具有更大额定功率的 DC-DC 转换器来节省空间。对于医疗申请，医疗证明是主要的资格因素。除此之外，可靠性是关键，因此需要电路保护来缓冲组件免受不可预测的电压波动和浪涌事件的影响。

根据部署 DC-DC 转换器的环境，额外的组件加固可能至关重要。在室外环境中，有必要确保转换器不会因在冷热温度之间循环或高湿度环境而出现任何故障模式。 MIL-STD-810 规范是电子元件数据表中出于环境工程考虑而引用的最常用标准。这是由于标准中列出了从高温和低温条件到真菌、爆炸性大气和弹道冲击的潜在环境压力源的详尽指南和测试条件。虽然大多数医疗部件可能不会承受枪击造成的机械应变，但可以测试热冲击、相对湿度、振动甚至海拔高度等参数，以表示设备的机械稳健性。这说明了 DC-DC 转换器的热稳定性及其在冲击和振动（例如移动应急/急救设备）和高海拔地区（例如山区、飞机等）下的运行能力

输入/输出隔离和漏电流
绝缘水平可保护操作者和患者免受电击，绝缘屏障可以是空气或预先指定的材料以进行额外隔离。电气间隙是两个导体之间的空气距离，目的是使电极彼此之间的距离足够远，以防止产生电弧。爬电距离是两个导体之间沿表面的距离，该距离可确保在绝缘表面被污染并开始导电的情况下，一个导体不会短路到另一个导体。

从电源到患者的泄漏电流水平必须极低才能达到医疗级别。例如，CF 级电源的漏电流限制在正常条件下为 10μA，在单一故障条件下为 50μA，而低于 500μA 的漏电流对于大多数非医疗级电源来说是令人满意的。

保护方式：MOOP 和 MOPP
IEC 60601-1 规定了操作员保护方式 (MOOP) 和患者保护方式 (MOPP)，以区分这些用户在使用医疗设备时可能遇到的潜在危险。对于操作员保护 (1xMOOP)，爬电距离为 2.5 mm 和 1500 VAC 隔离的一层绝缘层是令人满意的。两个 MOOP (2xMOOP) 表示具有双倍爬电距离和隔离的双层绝缘。基本患者保护 (1xMOPP) 需要具有 1500 VAC 隔离和 4mm 爬电距离的单层绝缘。两个 MOPP (2xMOPP) 是最严格的保护，具有两层绝缘、4000 VAC 隔离和 8 mm 爬电距离。 CF 型设备需要符合 IEC60601-1 标准的电源以及电源和与患者接触的设备部分之间的隔离屏障。这种隔离可以通过具有 2xMOPP 分类的 DC-DC 转换器来实现。

产品鉴定和制造质量——ISO 14971 和 ISO 13485
IEC 60601-1 的第 3 版和第 4 版要求制造商根据 ISO 14971 准备和维护风险管理文档，以便[1]：

■ 估计医疗器械的相关风险
■ 控制风险
■ 监控这些控制措施的有效性

所有这些因素都必须由经过认证的机构/测试实验室（例如 UL）在流程的每个步骤中进行评估，从而导致对 IEC 60601-1 最新版本的合规性比以前的迭代更加严格。实施此过程是为了消除任何不可接受的故障或设备性能下降。医疗器械的另一个生产质量标准是 ISO 13485。该标准规定了对组织质量管理体系的要求。

为了获得资格，组织必须证明其提供“始终满足客户和适用法规要求”的医疗设备的能力。符合 ISO 13485 标准的制造工艺将保证制造的每个组件都具有高度可靠性的生产工艺。

MPQ60W 医疗级 60W DC-DC 转换器
P-DUKE 的 MPQ60W 医疗级 DC-DC 转换器额定用于最严格的 CF 型医疗设备，具有小于 4.5 μA 的泄漏电流、5000 VAC 隔离、增强型 2xMOPP 绝缘以及 8 mm 的空气间隙和爬电距离。 ISO 14971 风险管理文件支持设计人员在其设备上编制详尽的技术文档，而 ISO 13485 合规性确保了高质量、高可靠性的 DC-DC 转换器。除了满足这些标准外，MPQ60W 还具有业界领先的功率密度，适用于医疗型 CF DC-DC 转换器，具有微小的四分之一砖外形。 DC-DC 转换器包括所有必要的电路保护（即 OCP、OTP、OVP、SCP、UVP），并根据 MIL-STD-810 进行了热冲击和振动测试。 MPQ60W 的标称海拔高度可达 5000 米，工作环境温度范围很广，介于 -40°C 至 105°C 之间。