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

DC-DC 轉換器的用例涵蓋廣泛的行業，從航空航天和軍事應用到商業和工業領域。 無論所採用的 DC-DC 轉換器的電路拓撲如何，設計人員都必須滿足基本參數、認證和加固級別，才能滿足最嚴格的醫療要求。

圍繞電源或轉換器的醫療應用的認證和測試主要由它們的隔離和漏電流來定義。 這兩個參數都與患者在與電源電接觸時所經歷的保護水平有關。 然而，在選擇 DC-DC 轉換器時，還需要考慮無數其他參數，以確保在設備的整個生命週期內實現最佳性能。 本文深入探討了醫療級 DC-DC 轉換器的認證以及選擇這些設備時要查看的基本參數。

醫療設備中的電源注意事項
電子醫療設備的電源解決方案範圍與應用本身一樣多種多樣。 在電源（例如，電池、插座、發電機等）、供電網絡 (PDN) 和連接的電路（例如，傳感器、執行器、處理器等）之間，至關重要的是每個組件在名義上發揮作用 斷電、電壓波動或潛在干擾的情況。 對於呼吸機而言，這意味著電池等儲能設備需要在斷電時迅速切換到備用電源。 這避免了呼吸機在使用柴油發電機等長期備用電源之前關閉的災難性故障模式。

醫療設備應該能夠容忍圍繞其標稱值的一定程度的電壓波動。 同樣的推理適用於所有重要的醫療設備，例如血壓計、保育箱、除顫器和透析機。 在系統層面，可能會採用冗餘備用電源和儲能設備。 然而，在設備層面，電源和/或 AC-DC 和 DC-DC 轉換必須確保電磁兼容 (EMC) 以及過流、過壓、過載、短路和過熱保護，以最大限度地減少 不需要的發射並保護組件和負載免受不良條件的影響。

設備對操作員和患者的安全性在醫療應用中也很重要。 大多數安全標準都提供了參數和測試指南，以確保這種安全水平。 但是，設備的質量取決於一些基本的電氣和機械規格。

DC-DC 轉換器的基本參數
DC-DC 轉換器幾乎存在於任何電子醫療設備中，以獲取輸入 DC 信號並提供嚴格調節的輸出 DC 信號。 無論 DC-DC 轉換器的拓撲結構如何，都有特定的電氣、熱和機械變量對於針對特定終端應用進行優化至關重要。 最基本的參數是用例所需的輸入電壓和輸出電壓以及輸出電流/功率，它們很容易由系統要求定義。 DC-DC 轉換器開始憑藉效率、功率密度、可靠性和認證/標準合規性等因素脫穎而出。 高功率密度將使設計人員能夠通過在更小的外形尺寸中安裝具有更大額定功率的 DC-DC 轉換器來節省空間。 對於醫療申請，醫療證明是主要的資格因素。 除此之外，可靠性是關鍵，因此需要電路保護來緩衝組件免受不可預測的電壓波動和浪湧事件的影響。

根據部署 DC-DC 轉換器的環境，額外的組件加固可能至關重要。 在室外環境中，有必要確保轉換器不會因在冷熱溫度之間循環或高濕度環境而出現任何故障模式。 MIL-STD-810 規範是電子元件數據表中出於環境工程考慮而引用的最常用標準。 這是由於標準中列出了從高溫和低溫條件到真菌、爆炸性大氣和彈道沖擊的潛在環境壓力源的詳盡指南和測試條件。 雖然大多數醫療部件可能不會承受槍擊造成的機械應變，但可以測試熱衝擊、相對濕度、振動甚至海拔高度等參數，以表示設備的機械穩健性。 這說明了 DC-DC 轉換器的熱穩定性及其在衝擊和振動（例如移動應急/急救設備）和高海拔地區（例如山區、飛機等）下的運行能力

輸入/輸出隔離和漏電流
絕緣水平可保護操作者和患者免受電擊，絕緣屏障可以是空氣或預先指定的材料以進行額外隔離。 電氣間隙是兩個導體之間的空氣距離，目的是使電極彼此之間的距離足夠遠，以防止產生電弧。 爬電距離是兩個導體之間沿表面的距離，該距離可確保在絕緣表面被污染並開始導電的情況下，一個導體不會短路到另一個導體。

從電源到患者的洩漏電流水平必須極低才能達到醫療級別。 例如，CF 級電源的漏電流限制在正常條件下為 10μA，在單一故障條件下為 50μA，而低於 500μA 的漏電流對於大多數非醫療級電源來說是令人滿意的。

保護方式：MOOP 和 MOPP
IEC 60601-1 規定了操作員保護方式 (MOOP) 和患者保護方式 (MOPP)，以區分這些用戶在使用醫療設備時可能遇到的潛在危險。 對於操作員保護 (1xMOOP)，爬電距離為 2.5 mm 和 1500 VAC 隔離的一層絕緣層是令人滿意的。 兩個 MOOP (2xMOOP) 表示具有雙倍爬電距離和隔離的雙層絕緣。 基本患者保護 (1xMOPP) 需要具有 1500 VAC 隔離和 4mm 爬電距離的單層絕緣。 兩個 MOPP (2xMOPP) 是最嚴格的保護，具有兩層絕緣、4000 VAC 隔離和 8 mm 爬電距離。 CF 型設備需要符合 IEC60601-1 標準的電源以及電源和與患者接觸的設備部分之間的隔離屏障。 這種隔離可以通過具有 2xMOPP 分類的 DC-DC 轉換器來實現。

產品鑑定和製造質量——ISO 14971 和 ISO 13485
IEC 60601-1 的第 3 版和第 4 版要求製造商根據 ISO 14971 準備和維護風險管理文檔，以便[1]：

■ 估計醫療器械的相關風險
■ 控制風險
■ 監控這些控制措施的有效性

所有這些因素都必須由經過認證的機構/測試實驗室（例如 UL）在流程的每個步驟中進行評估，從而導致對 IEC 60601-1 最新版本的合規性比以前的迭代更加嚴格。 實施此過程是為了消除任何不可接受的故障或設備性能下降。 醫療器械的另一個生產質量標準是 ISO 13485。該標準規定了對組織質量管理體系的要求。

為了獲得資格，組織必須證明其提供“始終滿足客戶和適用法規要求”的醫療設備的能力。 符合 ISO 13485 標準的製造工藝將保證製造的每個組件都具有高度可靠性的生產工藝。

MPQ60W 醫療級 60W DC-DC 轉換器
P-DUKE 的 MPQ60W 醫療級 DC-DC 轉換器額定用於最嚴格的 CF 型醫療設備，具有小於 4.5 μA 的洩漏電流、5000 VAC 隔離、增強型 2xMOPP 絕緣以及 8 mm 的空氣間隙和爬電距離。 ISO 14971 風險管理文件支持設計人員在其設備上編制詳盡的技術文檔，而 ISO 13485 合規性確保了高質量、高可靠性的 DC-DC 轉換器。 除了滿足這些標準外，MPQ60W 還具有業界領先的功率密度，適用於醫療型 CF DC-DC 轉換器，具有微小的四分之一磚外形。 DC-DC 轉換器包括所有必要的電路保護（即 OCP、OTP、OVP、SCP、UVP），並根據 MIL-STD-810 進行了熱衝擊和振動測試。 MPQ60W 的標稱海拔高度可達 5000 米，工作環境溫度範圍很廣，介於 -40°C 至 105°C 之間。