采用PWM開關(guān)控制的便攜式醫(yī)療設(shè)備電源解決方案

據(jù)統(tǒng)計，中國社會老齡化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，老年人的醫(yī)療健康問題也越發(fā)顯得重要，其中發(fā)病率較高的慢性病依次為高血壓、糖尿病、慢性支氣管炎肺氣腫、關(guān)節(jié)炎等。如何保證老年人家居生活的健康，提高晚年生活質(zhì)量，降低他們的護(hù)理費用，是一個非常值得關(guān)注和有意義的問題。市場上出現(xiàn)的復(fù)合參數(shù)監(jiān)護(hù)儀等便攜醫(yī)療設(shè)備能為醫(yī)學(xué)臨床診斷提供重要的病癥信息，可實時檢測人體的心電信號、心率、血氧飽和度、血壓、呼吸頻率和體溫等重要參數(shù)，實現(xiàn)對各參數(shù)的監(jiān)控、報警、存儲和傳輸，具有檢測參數(shù)多，設(shè)計緊湊，體積小巧，攜帶方便等特點。其既可用于病房，也可用于室外，可以定時、連續(xù)、長時間地檢測病人的重要生命特征參數(shù)。它在保障病人的生命安全方面具有重要的臨床使用價值。

便攜式醫(yī)療設(shè)備的降生之初就對體積有著嚴(yán)格的要求——要求設(shè)備的內(nèi)部器件盡量的小巧和實用。然而，電源作為醫(yī)療設(shè)備的關(guān)鍵器件，傳統(tǒng)的變壓器線性電源由于體積過大，已經(jīng)不能滿足市場的需求。醫(yī)療專用的模塊電源由于采用PWM開關(guān)控制模式，而極大地降低了變壓器的體積，并使電源的效率得到了極大的提升，這對于采用鋰電池供電的便攜式醫(yī)療設(shè)備提升續(xù)航時間來說無疑是至關(guān)重要的。

本文重點介紹便攜式醫(yī)療設(shè)備的電源解決方案。

產(chǎn)品介紹

便攜式醫(yī)療設(shè)備一般的供電電源有兩種。第一種是直接從市電取電220VAC輸入，輸出為常規(guī)直流電壓(例如12V輸出)——此類應(yīng)用是最常見的采用電源適配器的方式。這類電源價格便宜，技術(shù)簡單成熟，應(yīng)用廣泛，但是體積較大，有時候一個適配器甚至比醫(yī)療設(shè)備的體積還大。還有一種方案是采用模塊電源，將其直接內(nèi)嵌入醫(yī)療設(shè)備內(nèi)部，使之美觀且方便實用，例如金升陽公司的LD系列AC-DC電源。

圖1：LD系列AC-DC電源的原理框圖。

LD系列產(chǎn)品選用了安森美半導(dǎo)體公司的PWM控制芯片設(shè)計。該芯片功能十分強(qiáng)大，只需要外接少數(shù)元件就能構(gòu)成完整的開關(guān)電源，因而極大地簡化了產(chǎn)品的設(shè)計，使得整個模塊電源更加小巧、更加緊湊。同時，該芯片的待機(jī)功耗非常低，從而使得模塊電源本身能夠符合美國能源之星和歐洲藍(lán)天使標(biāo)準(zhǔn)，其在空載狀態(tài)下同時能達(dá)到國際能源機(jī)構(gòu)(IEA)最新建議的要求。該產(chǎn)品原理框圖見圖1。

該系列產(chǎn)品嚴(yán)格按照醫(yī)療電源的要求設(shè)計。在安規(guī)設(shè)計上，輸入和輸出之間的距離均達(dá)到8mm以上，輸入和輸出之間耐壓達(dá)到4000VAC/min。輸入對輸出的漏電流也很小，完全符合IEC60601的安規(guī)要求。在EMC方面，人們也越來越關(guān)注，世界各國和組織對電子產(chǎn)品的相關(guān)限制也做出了相應(yīng)規(guī)定。比較典型的標(biāo)準(zhǔn)包括：美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)規(guī)則及條例第15部分，國際電工委員會中TC77的IEC61000部分，國際無線電干擾特別委員會(CISPR)的CISPR11，歐盟的EN55011，以及中國的GB4824(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)射頻設(shè)備電磁騷擾特性的測量方法和限值)。該產(chǎn)品的EMC測試標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)果見表1。

表1：EMC測試標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)果

便攜式設(shè)備的另一種電源需求為直流電壓轉(zhuǎn)換(例如12V隔離轉(zhuǎn)5V)。其應(yīng)用于生物體信號的監(jiān)測采集或者通信隔離，例如監(jiān)測人體心臟電位變化的ECG設(shè)備。因為醫(yī)療設(shè)備與人體直接接觸，所以需要電源網(wǎng)絡(luò)與人體之間具有非常良好的隔離，對于漏電流的要求非常高，例如金升陽GH系列定壓輸入高隔離非穩(wěn)壓電源。

該系列電源隔離電壓高達(dá)6000VDC，絕緣電阻1000MΩ，它具有超低的隔離電容(10pF)，漏電流極低，已通過醫(yī)療IEC60601認(rèn)證。該系列產(chǎn)品的特別之處在于，其變壓器的設(shè)計需要根據(jù)便攜式醫(yī)療設(shè)備在低壓SELV應(yīng)用場合應(yīng)符合功能絕緣的要求而設(shè)計。產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：G/H系列醫(yī)療專用電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

作為二次電源，GH系列電源產(chǎn)品的變壓器使用漆包線做基本絕緣，塑膠磁芯蓋作為擋墻，產(chǎn)品內(nèi)部充分灌封了樹脂，以起到各電氣部分的介質(zhì)絕緣以及散熱作用;同時，該系列產(chǎn)品增加了爬電距離，以進(jìn)一步加強(qiáng)產(chǎn)品的絕緣特性。產(chǎn)品的電氣間隙和爬電距離如表2所示。

表2：電氣間隙和爬電距離。

電源管理方案

下面介紹一個便攜式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的電源管理方案的案例，該方案集中了ECG(心電)檢測、NBP(無創(chuàng)血壓)檢測、SPO2(脈搏血氧飽和度)檢測和TEMP(體溫)檢測等功能，起到了對病人情況實時監(jiān)控的功能，當(dāng)檢測到的參數(shù)出現(xiàn)異常時也能夠進(jìn)行報警。

圖3：便攜式多參監(jiān)護(hù)儀結(jié)構(gòu)框圖。

便攜式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的功能框圖如圖3所示，系統(tǒng)采用市電220VAC輸入，系統(tǒng)電壓12V，功率約為10W。因為ECG(心電)檢測、NBP(無創(chuàng)血壓)檢測、SPO2(脈搏血氧飽和度)檢測以及TEMP(體溫)檢測等功能的信號采集需要跟患者接觸，所以需要相對高的隔離電壓和較低的漏電流，這通常都會選擇符合醫(yī)療認(rèn)證的醫(yī)療電源。

綜合以上參數(shù)需求，我們可以為系統(tǒng)配置金升陽的LD10-20B12MU。該產(chǎn)品隔離耐壓4000VAC，通過了EN60601醫(yī)療認(rèn)證，具有低漏電流和空載功耗的特點。而給ECG等供電的電源則可以選擇金升陽的GH系列高隔離電源。

本文小結(jié)

隨著消費者對產(chǎn)品認(rèn)知程度的提高、健康意識的提升以及行業(yè)分工的細(xì)化，便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品的價格也會出現(xiàn)大幅下降，這樣就會帶動整個行業(yè)家用醫(yī)用的需求都出現(xiàn)上漲的態(tài)勢，前景非常樂觀。而便攜式醫(yī)用設(shè)備電源管理的方案也將越來越成熟，符合醫(yī)療認(rèn)證的高隔離的DC-DC電源模塊將會更加受到青睞。