選擇並運用最適合醫療應用的 DC/DC 轉換器

使用交流電源或電池供電的電源供應器在設計上非常複雜。設計人員必須開發一種解決方案，能夠在不同負載下提供穩定的電壓和電流，同時高效率運作以便將功耗降至最低。然而，若此電源供應器專為醫療產品所開發，則由於其電磁相容性 (EMC)、與病患電氣接觸相關的嚴格安全要求，以及電磁干擾 (EMI) 保護，其設計會更加複雜。

設計人員若要從頭開發醫療電源供應器以滿足這些要求，不僅昂貴且耗時。替代方案之一是採用商用模組化 DC/DC 轉換器，但必須謹慎選擇和運用這些解決方案。

本文簡要介紹 DC/DC 轉換器在電源供應器電路中的作用，並概述醫療應用的選擇要點和特殊考量因素。接著介紹 XP Power 的範例元件，並展示應用模型。

DC/DC 轉換器的角色

即便電池具有標稱電壓，其輸出還是會受到充電狀態、峰值需求、溫度等因素的影響。關鍵特性之一是輸出電壓會隨著電池放電而下降。然而，IC 和其他敏感元件需要穩定的電壓才能正常運作。DC/DC 轉換器提供解決方案，藉由調節輸入電壓，提供可靠且一致的電壓輸出 (或多個輸出)，為最終產品供電。

DC/DC 轉換器在市電供電產品中也很常見。初始 AC/DC 轉換器透過一個以上的 DC/DC 轉換器，將 AC 電源調節為 DC 電壓。再經過進一步調節，讓電壓達到適合最終產品的位準。

DC/DC 轉換器的拓撲可以是線性或切換式。線性穩壓器是簡單且強大的元件，但其效率會隨著輸入和輸出電壓之間的差異增加而下降。此外，線性穩壓器只能降壓，而不能升壓或逆變電壓。無法提高電壓使電池的潛力未充分開發。

切換式穩壓器使用脈寬調變 (PWM) 切換元件，通常包括一個或兩個 MOSFET，搭配一個或兩個電感和電容，用於儲存能量和濾波。設計人員選擇切換式穩壓器的主因是其具備高效率和高功率密度。此外，此穩壓器可以升壓、降壓和逆變電壓。

使用切換式穩壓器所面臨的挑戰包括設計複雜性、成本以及切換式元件的潛在 EMI 問題。DC/DC 切換式穩壓器可從頭開始設計，如此能節省一些成本和空間，但較複雜且耗時。另一種方式是從各款商業模組中選擇，例如 XP Power 的 JMR 系列，將切換式穩壓器的主要元件整合到一個緊湊、可靠且易於設計的單一裝置中 (圖 1)。

圖 1：JMR 系列等模組化裝置將 DC/DC 切換式穩壓器的主要元件整合到一個緊湊、可靠且容易設計的單一裝置中。(圖片來源：XP Power)

選擇 DC/DC 轉換器

選擇 DC/DC 轉換器時需考慮許多因素。有些顯而易見，例如，應用可確定輸入和輸出的電壓及電流。還有其他較細微的因素，例如，需考量最終產品的典型負載曲線以達到最高效率。此外，設計人員還應檢驗在 DC/DC 轉換器名單中規格書所示的效率曲線，以確保最終產品能在轉換器的效率最佳點運作。

XP Power 的 JMR1024S05 是醫療應用 DC/DC 轉換器的良好一例。此轉換器是一款超緊湊型印刷電路板安裝醫療裝置，尺寸為 20.3 x 31.8 x 10.2 mm，具有 3 mm 通孔引線。其標稱輸入電壓為 24 V (最小 9 V、最大 36 V)，輸出電壓為 5 V。此模組的最大輸出電流為 2 A，滿載輸入電流為 491 mA。輸出漣波電壓為 75 mV 峰對峰值 (pk-pk)，效率為 84.9%。

此模組具有 6 mA 的低空載功耗，可提高效率並降低功耗。透過遠端抑制模組，空載功耗可以進一步節省 3 mA (圖 2)。引腳 1 為開路時模組開啟；引腳 1 連接到 2 mA 至 4 mA 的電流源，或相對於引腳 2 對引腳 1 施加 2.2 V 至 12 V，則模組關閉。

圖 2：遠端抑制模組可將 JMR1024S05 的空載功耗降低達 3 mA。(圖片來源：XP Power)

XP Power 提供 10 W 系列的替代方案。例如，JMR1048S12 為 48 V 標稱輸入 (18 V 至 75 V)，提供 12 V 輸出，最大輸出電流為 833 mA。滿載輸入電流為 237 mA，在此條件下工作時，效率為 88%。

JMR1012D15 為 12 V 標稱輸入 (4.5 V 至 18 V)，提供 ±15 V 輸出，最大電流為 333 mA。滿載輸入電流為 957 mA，在此條件下工作時，效率為 87%。

JMR 10 W 系列的切換頻率為 300 kHz。

醫療應用的特殊要求

醫療產品對 DC/DC 轉換器有更高的要求，這是由於最終產品中使用的電氣元件必須符合嚴格的 IEC 60601-1 醫療安全標準。

「觸身零件」於 IEC 60601-1 的定義為在醫療裝置中與病患直接接觸的零件，或在產品正常使用過程中有可能與病患接觸的零件。觸身零件的標準係依據與病患接觸的類型和醫療裝置的性質進行定義。

Type B 分類適用於通常不導電且可能接地的觸身零件。Type BF (身體浮動) 適用於與病患有電氣連接的觸身零件，並且必須浮動且與地面分離。Type BF 不包括直接接觸心臟的觸身零件。Type CF (心臟浮動) 分類適用於適合與心臟直接連接的觸身零件。Type CF 觸身零件必須浮動且與地面分離。

與病人連接的醫療裝置需要具備防護措施 (MOP)，以防止觸身零件 (和其他可觸及零件) 超過電壓、電流、能量的限制。合規的保護接地連接提供 1 x MOP，基本隔離亦提供 1 x MOP，強化絕緣提供 2 x MOP。

MOP 可進一步分為操作人員防護措施 (MOOP) 和患者保護措施 (MOPP)。與病患連接的裝置，需具備 2 x MOPP。

用於 Type BF 和 Type CF 醫療裝置的電源供應器從一次側到二次側必須提供 2 x MOPP，從一次側到接地必須提供 1 x MOPP。針對最高額定輸入交流線路電壓，從電源供應器的任何二次側輸出到接地的額外安全隔離也必須為 1 x MOPP 等級。表 1 顯示 MOOP 和 MOPP 應用中基本 (1 x MOP) 和增強 (2 x MOP) 絕緣的空氣間隙、沿面距離和測試電壓。

表 1：MOOP 和 MOPP 應用中基本 (1 x MOP) 和增強 (2 x MOP) 絕緣的空氣間隙、沿面距離、測試電壓。(圖表來源：XP Power)

除了用於 MOOP 和 MOPP 應用的 MOP 之外，醫療裝置的電源供應器在設計上必須限制接觸電流、病患輔助電流、病患漏電流。在正常條件下，接觸電流的最大容許值為 100 μA，單一故障條件 (SFC) 下為 500 μA。此要求可有效將系統正常工作時的接地漏電流限制在 500 μA 以下。

接觸電流、病患輔助電流、病患漏電流的要求對設計人員而言是一大挑戰。他們必須確保電源供應器提供所需的安全隔離，同時將正常操作下的漏電流降至最低，並將病患與地面隔離，以便在故障時提供保護。

最後，醫療裝置必須符合 IEC 60601-1-2 中概述的 EMC 要求。這些要求旨在提高裝置對靠近生命關鍵設備運作的許多無線通訊設備之耐受性。這些要求的次要目標在於，當設備在醫院外使用時，對 EMC 環境的控制往往較少，可為此提供 EMC 指南。

使用 DC/DC 轉換器作為第二隔離級

仔細選擇 DC/DC 轉換器，加入第二隔離級，可以緩解特殊醫療要求的設計挑戰。添加此隔離級可為交流線路電壓提供基本隔離。可大幅降低輸入到輸出電容 (降至約 20 至 50 pF)，進而將潛在的病患漏電流降至僅數微安培 (圖 3)。

圖3：核可的 DC/DC 轉換器 (右) 可為觸身零件進行電壓調節，同時為 1 x MOPP 提供二級隔離並將潛在的病患漏電流降至最低。(圖片來源：XP Power)

例如，上述的 XP Power JMR 系列 10 W DC/DC 轉換器具備 IEC60601-1 醫療安全機構認證、2 x MOPP 5 kV 交流增強隔離、17 pF 隔離電容、2 μA 病患漏電流，能更輕鬆整合到各種 BF 和 CF 醫療應用中。

必須具備 EMC 濾波，讓最終產品符合 IEC 60601-1-2 要求。EMC 濾波可添加到醫療裝置系統和控制器與 DC/DC 轉換器之間的電路，不會影響隔離或低漏電流。圖 4 所示為針對突波和電快速瞬變 (EFT) 以及 Class B EMI 建議的 EMC 濾波器電路。

圖 4：與 JMR10 系列 DC/DC 轉換器搭配的突波和 EFT 以及 Class B EMI 的推薦 EMC 濾波器電路。(圖片來源：XP Power)

表 2 顯示使用輸入電壓為 12 V、24 V、48 V 的 JMR10 系列元件時，這些電路的建議元件值。

表 2：圖 4 電路的建議元件值。(圖表來源：XP Power)

結論

模組化和高度整合的 DC/DC 轉換器可簡化醫療系統電源供應器的設計，並提供高可靠度及效能。儘管如此，設計人員必須仔細選擇具有 IEC 60601-1 認證的設備，以確保滿足該標準對操作人員和病患安全以及 EMC 的要求。