使用GaN器件可以减小外置医用AC/DC电源的体积

作者：Bill Schweber

尽管电池技术和低功耗电路不断取得进步，但对于许多应用来说，完全不依赖纯电池设计可能是不可行、不适用和无法接受的。医疗系统就属于这类应用。相反，设备通常必须直接通过 AC 线路运行，或至少在电池电量不足时连接 AC 插座即可运行。

除了满足基本的 AC/DC 电源性能规范外，医用电源产品还必须符合监管要求，即满足电隔离、额定电压、泄漏电流和保护措施 (MOP) 等不那么明显的性能要求。制定这些标准是为了确保用电设备即使在电源或负载出现故障时，也不会给操作员或病人带来危险。与此同时，医疗电源的设计者必须不断提地高效率，减小体积和重量。

本文将讨论医疗仪器使用外置式 AC/DC 电源的问题，并回顾相关的监管标准。然后介绍 XP Power 的产品。设计者可利用这些产品满足各种监管标准，同时还可利用氮化镓 (GaN) 功率器件将电源的实际尺寸缩小近一半。

电源设计的基本要求

选择 AC/DC 电源时，首先要考虑标准的电源性能指标。电源必须提供标称 DC 电压，并能在该电压下提供支持负载所需的额定电流。通用电源必须能适应频率为 47 Hz 至 63 Hz 的各种 AC 输入电压（通常为 85 VAC 至 264 VAC）。

虽然输入和输出电压及额定电流至关重要，但不足以完全定义一个电源。其他考虑因素包括:

· 动态性能属性，例如启动延迟、启动上升时间、保持时间、线路和负载调节、瞬态响应、纹波和噪声以及过冲
· 过载、短路和超温保护
· 效率要求是电源最大额定功率的函数，必须在负载曲线上具有特定值，包括满载点、低负载点和空载点
· 功率因数 (PF) 接近于 1，具体的 PF 值取决于功率水平和控制监管标准
· 电磁兼容性 (EMC)，用于描述电源的最大电磁干扰 (EMI) 和射频干扰 (RFI) 以及对静电放电 (ESD)、辐射能量、突发能量事件、线路浪涌和磁场的敏感性
· 安全，定义了用户和设备的基本保护要求，包括输入与输出、输入与地和输出与地之间的隔离电压

对医用电源的要求

在评估医疗应用电源时，额外的标准和监管规定使得问题更加复杂。这主要涉及病人和操作人员的安全，确保在发生单故障甚至双故障时，电源不会危及其中任何一方。

受人们关注的大部分问题都与杂散电流或泄漏电流有关。线路标准电压（110/230 V；50 Hz 或 60 Hz）即使只持续几分之一秒，也可能在低至 30 mA 的电流下诱发心室颤动。如果电流直接流经心脏，例如通过心导管或其他电极，那么小于 1 mA（AC 或 DC）的电流就会导致心颤。

这些是电流通过接触皮肤表面流经人体时经常引用的一些标准阈值。相比之下，发生内部接触时的危险电流要低得多：

· 1 mA：几乎感觉不到
· 16 mA：一个普通身材的人能够抓住并“放手”的最大电流
· 20 mA：呼吸肌麻痹
· 100 mA：心室颤动阈值
· 2 A：心脏停跳和内脏受损

风险等级也是电流流经身体上两个接触点的路径的函数，例如穿过或通过胸部或从手臂一直流到脚。因此，最大限度地降低通过 AC 隔离变压器绝缘介质的泄漏电流至关重要。

如果绝缘质量足够好，泄漏电流似乎可以忽略不计。不过，虽然这种泄漏可能是由于绝缘材料的特性不完美而造成的物理“泄露”电流，但它也可能是由于电容耦合电流造成的，这些电流甚至可以穿过特殊的绝缘材料。

理想变压器的简化模型显示了其初级侧和次级侧之间具有完美的电隔离（阻性）（图 1）。

图 1：变压器的基本模型显示，初级侧和次级侧之间没有电流通路。（图片来源：Power Sources Manufacturers Association）

在理想的变压器中，即使部件或线路故障在次级侧提供了新的电流路径，也不会有电流直接从 AC 电源流向受电产品，从而形成一个完整的电流回路返回 AC 电网。然而，没有一台变压器是完美无缺的，初级到次级间存在互绕电容 （图 2）。

图 2：一台更逼真的模型显示了一次侧和二次侧之间的基本互绕电容 (Cps1)。（图片来源：Power Sources Manufacturers Association）

更复杂的模型增加了额外的互绕电容源（图 3）。

图 3：除第一互绕电容 (Cps1) 外，还有其他变压器电容。（图片来源：Power Sources Manufacturers Association）

这种意外电容会造成泄漏电流流动，这种电容值与许多变量有关，如线径、绕组模式和变压器的几何形状。该电容值范围从低至一个皮法 (pF) 到几个微法 (µF)。除了变压器容性漏电外，其他意外电容源自包括印刷电路板上的间距、半导体和接地散热器之间的绝缘，甚至其他部件之间的寄生效应。

由电容引起的变压器漏电流并不是医疗电源规范要解决的唯一问题。基本的 AC 安全和绝缘是首要任务。根据电压和功率等级的不同，除了主隔离层外（或称物理加固型隔离层），电源可能还需要第二个独立的隔离层。随着时间的推移，绝缘性能也会因极端温度、高电压应力和电压浪涌而降低，但仍能达到其额定值。

第一隔离层通常被称为“基本隔离层”。例如电线绝缘层。第二隔离层通常是绝缘外壳，如许多壁挂式电源和台式电源。

标准和保护措施 (MoP)

管理医疗电子设备和安全的主要标准是 IEC 60601-1 标准。最新版（第 4 版）扩大了对患者的关注范围，要求将一个或多个 “操作员保护措施”(MOOP) 和“患者保护措施”(MOPP) 相结合，形成一种整体保护措施 (MOP)。

监管标准还围绕如何提供 MOOP 设立了保护等级。这些标准分为 I 类和 II 类，对电源的结构和绝缘进行了详细规定。I 类产品的导电底盘与安全接地相连。为了简化就地墙壁插头的兼容性，该电源配备 IEC320-C14 插座，方便用户提供的带安全接地导体的电源线（图 4，左）。

相比之下，II 类电源的电源线采用双线制，带有安全接地连接（图 4，右）。由于没有接地底盘，用户和内部载流导体之间存在两层绝缘（或单层强化绝缘）。

图 4：I 类（左）和 II 类（右）设备采用接地三线制或不接地两线制 AC 线路连接，通常与标准 IEC 插座和用户提供的电源线一起使用。（图片来源：XP Power）

因此，任何指定用于医疗应用并被认证为 I 类或 II 类的 AC/DC 电源都必须经过专门设计，并按照相关标准进行测试。幸运的是，XP Power 等电源供应商了解提供符合这些标准的电源所需的技术、制造和认证问题。

尺寸也很重要

对医用 AC/DC 电源的技术要求和监管规定与物理尺寸无关，但尺寸却很重要。在空间有限的情况下，如在救护车或临床环境中，移动小车和办公桌的空间有限，大型电源会使现场操作安排复杂化。

在这种情况下，减小 AC/DC 电源的尺寸会有好处，但这也是一项挑战。由于需要遵守有关绝缘、爬电和间隙等的监管标准，最小电源尺寸会受到限制。

缩小电源的另一个问题是散热。如果电源的体积和封装表面积不足，其内部温度就会高于较大型电源，从而降低内部的有源、无源和绝缘元件的性能。由于可能出现的气流阻塞、长期可靠性问题和增加环境噪声，因此不宜采用强制风冷。

此外，电源内部的热量可能会导致电源外壳温度升高，超出允许范围，给病人和操作人员带来危险。缩小电源体积的关键在于使用适当的电路开关元件，将产生的热量降至最低。

与硅 (Si) 器件相比，基于 GaN 的开关器件在这方面的优势明显。这类器件的串联电阻更小、开关时间更快、反向恢复电荷更低，从而降低了损耗，使开关电源的效率更高、温度更低、结构更紧凑。

例如 XP-Power 的 AQM200PS19 电源。这款电源属于 AQM 系列。该电源的额定值 19 V/10.6 A，属于 I 类运行。该电源的尺寸约为 167 × 54 × 33 mm，是具有相同额定值的传统电源体积的一半，且重量仅为 600 g（图 5）。

图 5：AQM200PS19 是一款 200 W、I 类电源，能以高达 10.6 A 的电流提供 19 V 电压，其效率高达 92%。（图片来源：XP Power）

该外置式电源完全符合国际医疗标准。其电气参数包括：患者漏电流小于 100 µA，典型效率为 92%，待机功耗小于 0.15 W 且 PF > 0.9。

该电源有 I 类和 II 类两种型号，额定工作温度为 0°C 至 60°C。这种电源的采用全密封外壳，符合 IP22 防护等级，表面光滑，便于在医疗环境中清洁。

对于功率更大的系统，XP Power 提供 AQM300PS48-C2 300 W、II 类电源。这款电源的额定值为为 48 V/6.25 A，待机功耗低于 0.5 W。虽然体积稍大，但这款电源依然外形紧凑，仅为 183 × 85 × 35 mm，重 1050 克。

XP Power 的 AQM250PS24 额定功率为 250 W，是一款 24 V/10.4 A、I 类电源，待机功耗低于 0.15 W。这款电源的体积为 172 × 67.1 × 32 mm。

结束语

用于医疗设备的外置式独立 AC/DC 电源必须满足严格的监管、操作、性能、安全和效率要求。XP Power 的 AQM 系列医疗级外部电源采用 GaN 器件，其整体封装尺寸仅为传统硅器件电源的一半，超过了上述标准。