使用 GaN 元件縮小外部醫療供應器 AC/DC 電源的尺寸

儘管電池技術和低功率電路已有進步，但若要在醫療系統等眾多應用中使用完全無線的純電池設計，還是可能會無法實行或不切實際。設備通常必須直接由 AC 線路供電，或至少能夠在電池電量低時能由 AC 電源插座供電。

醫療電源供應器除了滿足基本的 AC/DC 電源效能規格外，一些較不明顯的效能考量也需符合監管要求，例如電流隔離、額定電壓、漏電流和保護措施 (MOP)。這些標準可確保即使電源或負載故障，供電設備也不會將操作人員或患者置於危險之中。同時，設計人員必須不斷提高醫療電源供應器的效率並縮減尺寸和重量。

本文討論外部 AC/DC 電源在醫療儀器中的使用，並回顧相關監管標準。接著介紹 XP Power 的產品。設計人員可以使用這些產品滿足標準，同時運用氮化鎵 (GaN) 功率元件的優勢，將電源的實體尺寸縮減近一半。

基本電源供應器設計需求

選擇 AC/DC 電源首先要考量標準電源供應器效能指標。電源必須提供標稱 DC 電壓，並能夠在該電壓下提供額定電流以支援負載。通用電源必須能夠適用頻率為 47 至 63 Hz 的寬廣 AC 輸入電壓 (通常為 85 VAC 至 264 VA)。

這些輸入和輸出電壓和電流額定值非常重要，但不足以完全定義一個電源供應器。其他考量因素包括：

• 動態效能屬性：例如啟動延遲、啟動上升時間、保持時間、線路和負載調節、暫態響應、漣波和雜訊、過衝
• 過載、短路、過熱防護
• 效率需求：電源最大額定功率的函數，並且必須沿著負載曲線有特定值，包括滿載、低負載和空載點
• 功率因數 (PF) 接近 1，特定功率因素是功率等級和控制監管標準的函數
• 電磁相容性 (EMC)：可描述電源的最大電磁干擾 (EMI)／射頻干擾 (RFI) 特性，以及對靜電放電 (ESD)、輻射能量、突發能量事件、線路突波和磁場的敏感度
• 安全性：定義保護使用者和設備的基本要求，包括輸入與輸出之間、輸入對地、輸出對地之間的隔離電壓

醫療電源供應器的要求

在評估醫療應用的電源供應器時，額外的標準和監管要求使過程更加複雜。這些要求主要與患者和操作人員的安全有關，用於避免電源供應器發生單一故障甚至雙重故障時患者和人員面臨風險。

大多數與雜散電流或漏電流相關。標準線路電壓 (110/230 V；50 或 60 Hz) 流通胸部，即便只有最低 30 mA 的電流，短短不到一秒鐘，也可能會引發心室顫動。若電流有直接路徑通往心臟，例如透過心導管或其他電極，導致顫動的電流就會低許多，最低只要 1 mA (AC 或 DC) 就會引發。

以下是經常引用的一些數值，說明透過皮膚表面接觸時電流流經人體的標準臨界值，若是由內部接觸，則危險值低得多：

• 1 mA：幾乎察覺不到
• 16 mA：一般體型人士可忍受並「裝作沒事」的最大電流
• 20 mA：呼吸肌會麻痺
• 100 mA：心室顫動臨界值
• 2 A：心搏停止與內臟受損

風險等級也與身體接觸的兩點連接的電流路徑相關，例如橫跨或貫穿胸部，或從手臂到腳。這就是必須將穿過 AC 隔離變壓器介電絕緣層的漏電流降至最低的主因。

如果絕緣品質夠好，漏電流的量似乎可以忽略不計。然而，雖然電流洩漏可能是由於絕緣體不完美的本質而造成的物理性「洩漏」電流，但也可能是由於電容耦合電流穿過絕緣體 (即使絕緣體優良) 所引起。

圖 1 是簡化的理想變壓器模型，顯示一次側和二次側之間的理想電流 (歐姆) 隔離性。

圖 1：此基本變壓器模型顯示一次側到二次側沒有電流路徑。(圖片來源：PSMA 國際電源製造商協會)

理想的變壓器中，電流無法直接從 AC 主電源流到通電的產品，避免形成一個完整電流迴路回到 AC 主電源，即使是元件或接線故障在二次側提供了新的電流路徑。然而，這世界沒有完美的變壓器，一次到二次繞組間預期會有電容 (圖 2)。

圖 2：更真實的模型顯示一次側和二次側之間會有基本的繞組間電容 (C_ps1)。(圖片來源：PSMA 國際電源製造商協會)

圖 3 為一個更為複雜的模型，加入其他的繞組間電容來源。

圖 3：除了第一個繞組 (C_ps1) 之外，還有其他變壓器電容。(圖片來源：PSMA 國際電源製造商協會)

這種不當電容會導致漏電流，其值取決於多種變數，例如電線尺寸、繞組模式、變壓器的幾何形狀等。電容值最低為 1 pF，最高可達數 µF。除了變壓器電容式漏電流之外，印刷電路板上的間距、半導體和接地散熱片之間的絕緣，甚至是其他元件之間的寄生效應，也會產生不需要的電容。

因電容導致的變壓器漏電流，並不是醫療電源供應器規範唯一的考量之處。基本的 AC 安全和絕緣才是優先要務。電源可能需要在主絕緣阻障層 (或物理強化絕緣) 之外再加上一個獨立的絕緣阻障層，實際取決於電壓及功率級別。絕緣效能會因極端溫度、高壓引起的應力、電壓突波，隨著時間的推移而降低，儘管可能仍符合其額定值。

絕緣層的第一層通常稱為「基礎絕緣」。例如電線上常用的絕緣。第二層通常是絕緣外殼，如許多壁掛式和桌上型電源供應器所見。

標準與保護措施 (MoP)

監管醫療電子和安全的主要標準是 IEC 60601-1。最新 (第 4 版) 結合一種以上的「操作人員保護措施 (MOOP)」 和「患者保護措施 (MOPP)」的整體保護措施 (MOP)，增加對病患的重視 。

監管標準還依憑 MOOP 的提供方式，訂立保護等級。以 Class I 和 Class II 為指定等級，管理電源供應器的結構和絕緣。Class I 產品有導電底盤，連接到安全接地。為了簡化壁面插頭相容性，此電源有一個 IEC320-C14 插座，適合連接使用者提供的電源線，並具有安全接地導線 (圖 4，左)。

相較之下，Class II 電源供應器具有安全接地連接的雙線電源線 (圖 4，右)。由於沒有接地底盤，使用者和內部載流導體之間有兩層絕緣 (或單層強化絕緣)。

圖 4：Class I (左) 和 Class II (右) 單元具有接地三線或不接地雙線 AC 線路連接，通常與標準 IEC 插座和使用者提供的電線搭配使用。(圖片來源：XP Power)

這讓任何指定用於醫療應用並經過 Class I 或 Class II 認證的 AC/DC 電源都必須根據相關標準進行專門設計和測試。值得慶幸的是，XP Power 等電源供應器廠商瞭解滿足這些標準的電源所需之技術、製造和認證問題。

尺寸也需重視

雖然醫療 AC/DC 電源的技術和監管要求與實體尺寸無關，但尺寸也很重要。大型電源供應器會讓使空間有限的就地操作配置更複雜，例如在救護車或臨床環境中，行動推車和桌子的空間有限。

在這些情況下，縮小 AC/DC 電源的尺寸將會有益，但同時也是一項挑戰。電源供應器的最小尺寸必須遵守監管準則的各項規範，包含絕緣、沿面距離、間隙等。

縮小電源供應器的另一個問題是散熱。如果電源供應器的體積和封裝表面積不足，其內部溫度將高於較大電源供應器的溫度，進而降低內部主動、被動、絕緣組件的效能。由於可能會有氣流阻塞、長期可靠性考量以及會增加環境噪音，因此無法採用強制風冷。

此外，產生的熱量可能會導致電源供應器外殼的表面溫度升高到超出可接受的範圍，使得患者和操作人員面臨危險。縮小電源供應的關鍵是使用適當的電路切換元件，將產生的熱量降至最低。

這就是 GaN 架構切換元件比矽 (Si) 具有明顯優勢的地方。GaN 具有較低的串聯電阻、更快的切換時間和較低的反向恢復電荷，可減少損耗，達到更高效率、更佳散熱、更緊湊的切換式電源。

以 XP-Power 的 AQM200PS19 為例，此元件屬於 AQM 系列。其電源的額定工作電壓為 19 V/10.6 A Class I 操作。該元件的尺寸約為 167 × 54 × 33 mm，是具有相同額定值的傳統電源的一半，重量僅為 600 g (圖 5)。

圖 5：AQM200PS19 是 200 W Class I 元件，可提供 19 V 電壓和高達 10.6 A 的電流，效率為 92%。(圖片來源：XP Power)

此外部電源供應器完全符合國際醫療標準。其電氣參數包括小於 100 μA 的患者漏電流、92% 的典型效率、小於 0.15 W 的待機功耗以及大於 0.9 的 PF。

此電源供應器有 Class I 和 Class II 版本，額定工作溫度為 0° 至 60°C。具有符合 IP22 防護等級的完全密封外殼，其光滑的表面處理有助於在醫療環境中更容易進行清潔。

針對更高功率的系統，XP Power 提供 AQM300PS48-C2，這是一款 300 W Class II 單元，額定輸出為 48 V/6.25 A，待機功耗低於 0.5 W。儘管尺寸稍大，但該電源仍然非常緊湊，尺寸僅為 183 × 85 × 35 mm，重量為 1,050 g。

XP Power 提供額定功率為 250 W 的 AQM250PS24，是一款 24 V/10.4 A Class I 級電源供應器，待機功耗低於 0.15 W。尺寸為 172 × 67.1 × 32 mm。

結論

用於醫療設備的外部獨立 AC/DC 電源供應器必須滿足嚴格的監管、操作、效能、安全和效率要求。XP Power 的 AQM 系列醫療級外部電源使用 GaN 元件，其整體封裝尺寸僅為傳統 Si 元件的一半，使得效能超越要求。