Les alimentations électriques destinées aux applications médicales sont soumises à des exigences et à des normes nettement plus strictes que celles qui régissent les applications plus usuelles. Elles doivent notamment assurer une meilleure isolation entre la tension de sortie et à la fois la terre et le secteur et leurs émissions EMI/RFI doivent être inférieures. On s'attend à ce que ces appareils occupent une part de plus en plus importante du marché global des alimentations électriques dans les prochaines années en raison de la production accrue d'appareils médicaux portables compacts en Occident, ainsi que de l'utilisation grandissante d'équipements médicaux de tous types en Asie.
À l'échelle internationale, les alimentations électriques médicales sont régies par la réglementation 60601-1 de la CEI (Commission électrotechnique internationale). Une subdivision importante de la réglementation porte sur la zone où l'équipement entre en contact avec le patient. Le Type B (pour body) désigne les équipements qui sont utilisés à proximité du patient ; le Type BF (body floating) désigne les équipements qui entrent en contact avec un patient ; et le type CF (cardio floating) s'applique aux alimentations électriques destinées aux équipements susceptibles d'entrer en contact avec le cœur.
Il convient de noter la présence du mot « floating » (flottant) dans les types BF (body floating) et CF (cardio floating). Ce mot signifie ici que les alimentations électriques médicales conformes à ces exigences, contrairement à la plupart des équipements électroniques, ne sont pas mises à la terre. En d'autres termes, ils « flottent » par rapport à la terre. La norme CEI 60601-1 assujettit les alimentations électriques médicales à des normes très élevées en termes de courant de fuite maximal autorisé, lequel doit représenter le courant maximal autorisé, mesuré en micro-ampères, susceptible de circuler par inadvertance entre le patient et la terre.
Dans les alimentations électriques médicales, le plus difficile est de trouver le bon équilibre entre un courant de fuite faible et un bon filtrage des EMI/RFI, ce qui s'explique par le fait que les condensateurs capables d'assurer un filtrage efficace laissent passer le courant de fuite. Pour résoudre ce dilemme, les concepteurs ont misé avec succès sur la commutation au zéro de tension (ZVS, zero-voltage switching). Cette solution implique un ralentissement des temps de montée et de descente des impulsions haute fréquence caractéristiques des commutateurs, et a pour effet de réduire les EMI. L'alimentation électrique exige de ce fait un filtrage moins important, ce qui entraîne une réduction du courant de fuite. Cette technique ne serait pas réalisable avec les boucles de retour analogiques traditionnelles, autrefois si courantes dans les équipements électroniques. Les alimentations électriques médicales modernes emploient des contrôleurs numériques embarqués, qui peuvent être programmés pour la mise en œuvre d'une ZVS. Ces contrôleurs sont également employés pour modifier l'impulsion en réponse aux modifications de courant requises par l'équipement médical et aux fluctuations de l'alimentation secteur.
Même dans le domaine médical, certains types de situations exigent une protection supérieure contre les EMI. Dans les situations de diagnostic, par exemple, l'équipement médical a souvent pour fonction d'enregistrer les modifications de signal les plus subtiles induites ou transmises par le corps du patient. Dans ces circonstances, une quantité d'EMI même infime risque de surcharger les capteurs de l'équipement, ce qui nécessite le meilleur filtrage possible.
Les alimentations électriques médicales peuvent être installées à l'intérieur des unités qu'elles alimentent, montées sur le circuit imprimé ou sur le châssis. Elles peuvent également être externes, et dans cette catégorie, celles de type PoE (Power over Ethernet) permettent une alimentation par le biais de câbles Ethernet, ce qui permet de se dispenser d'un câble d'alimentation distinct. Les unités peuvent être conçues pour offrir une, deux ou plusieurs sorties de tension différentes, selon les besoins du concepteur.
Le module MINT1045A2475K01 de SL Power Electronics est un exemple d'alimentation électrique CA en CC à cadre ouvert capable de fournir 24 volts CC à 1,9 ampères, pour un encombrement très réduit (5 cm par 7,5 cm et 2,5 cm de haut seulement). Et peut-être plus important encore pour les applications médicales critiques, il offre deux niveaux de protection MOPP. La fiche technique du MINT1045A2475K01 indique que cette unité fait partie d'une gamme de produits similaires offrant 12, 15, 28 ou 48 VCC. Tous les produits de cette gamme offrent une isolation d'entrée/sortie de 4 500 VCA, et l'isolation entrée/terre comme l'isolation sortie/terre est de 1 900 VCA. Ces valeurs représentent la quantité de tension inattendue externe que les unités peuvent supporter sans défaillance. La version MINT1045A2475K01, tout comme les modèles à 12 et 15 volts sont conçus pour des courants de fuite de 30 micro-ampères.
La conception et la construction des alimentations électriques médicales se heurtent à des obstacles spécifiques, bien souvent négligés, que ne rencontrent généralement pas la plupart des concepteurs d'alimentations électriques. Il est donc préférable de laisser leur fabrication à des spécialistes. Les ingénieurs ne maîtrisant pas parfaitement les questions hautement ésotériques en jeu doivent impérativement se garder de concevoir eux-mêmes ces sources d'alimentation dans un souci de réduction des coûts. Les conséquences pourraient être très graves, comme l'obtention d'un appareil médical aux performances médiocres en raison de problèmes EMI, ou encore le risque réel d'exposer les patients à des décharges électriques dangereuses, voire mortelles.
Il convient de noter la présence du mot « floating » (flottant) dans les types BF (body floating) et CF (cardio floating). Ce mot signifie ici que les alimentations électriques médicales conformes à ces exigences, contrairement à la plupart des équipements électroniques, ne sont pas mises à la terre. En d'autres termes, ils « flottent » par rapport à la terre. La norme CEI 60601-1 assujettit les alimentations électriques médicales à des normes très élevées en termes de courant de fuite maximal autorisé, lequel doit représenter le courant maximal autorisé, mesuré en micro-ampères, susceptible de circuler par inadvertance entre le patient et la terre.
Plusieurs niveaux de protection sont obligatoires
La norme CEI 60601-1 s'attache également à la mise en œuvre de plusieurs niveaux de sécurité, ou moyens de protection (MOP), de manière à ce qu'une seule défaillance de l'alimentation électrique ne suffise pas à elle seule à provoquer un dommage potentiel. Ces normes de sécurité se divisent en moyens de protection de l'opérateur (MOOP) et moyens de protection du patient (MOPP). Compte tenu du fait que le patient peut être en moins bonne santé que l'opérateur, et que l'équipement sera en contact plus intime et plus étroit avec le patient qu'avec l'opérateur, les exigences MOPP sont plus strictes que les normes MOOP. Ces protections incluent une isolation robuste, des exigences élevées en matière d'espacement physique (la ligne de fuite étant définie comme l'espace requis entre deux points pour que l'on puisse parler de MOP), ainsi qu'une isolation électrique entre les éléments de la tension secteur, la section haute tension (qui correspond à l'ensemble des commutateurs) et la sortie CC de l'unité.Dans les alimentations électriques médicales, le plus difficile est de trouver le bon équilibre entre un courant de fuite faible et un bon filtrage des EMI/RFI, ce qui s'explique par le fait que les condensateurs capables d'assurer un filtrage efficace laissent passer le courant de fuite. Pour résoudre ce dilemme, les concepteurs ont misé avec succès sur la commutation au zéro de tension (ZVS, zero-voltage switching). Cette solution implique un ralentissement des temps de montée et de descente des impulsions haute fréquence caractéristiques des commutateurs, et a pour effet de réduire les EMI. L'alimentation électrique exige de ce fait un filtrage moins important, ce qui entraîne une réduction du courant de fuite. Cette technique ne serait pas réalisable avec les boucles de retour analogiques traditionnelles, autrefois si courantes dans les équipements électroniques. Les alimentations électriques médicales modernes emploient des contrôleurs numériques embarqués, qui peuvent être programmés pour la mise en œuvre d'une ZVS. Ces contrôleurs sont également employés pour modifier l'impulsion en réponse aux modifications de courant requises par l'équipement médical et aux fluctuations de l'alimentation secteur.
Même dans le domaine médical, certains types de situations exigent une protection supérieure contre les EMI. Dans les situations de diagnostic, par exemple, l'équipement médical a souvent pour fonction d'enregistrer les modifications de signal les plus subtiles induites ou transmises par le corps du patient. Dans ces circonstances, une quantité d'EMI même infime risque de surcharger les capteurs de l'équipement, ce qui nécessite le meilleur filtrage possible.
Le courant de fuite est un paramètre critique
Comme dans toutes les alimentations électriques de commutation, le transformateur qui transporte l'énergie du réseau jusqu'au reste de l'unité est un composant central d'une alimentation électrique médicale. Même si un transformateur est parfaitement conçu, il existe une certaine capacitance parasite entre ses deux bobines. Celle-ci est une source importante de courant de fuite et doit être réduite à tout prix en raison des risques d'électrocution qu'elle engendre. Un moyen répandu, bien que coûteux, de réduire ce courant de fuite est d'installer un convertisseur CC-CC supplémentaire en série avec le premier dans la chaîne d'alimentation. Dans ce cas, la capacitance effective à l'origine du courant de fuite est comparable à la valeur des deux condensateurs en série, laquelle est toujours inférieure à celle d'un condensateur seul. L'inclusion du convertisseur CC-CC présente en outre l'avantage d'ajouter un MOP, ou niveau de protection, supplémentaire. Comme indiqué plus haut, les MOP permettent potentiellement de sauver des vies, et sont indispensables pour obtenir une certification en vertu de la norme 60601-1.Les alimentations électriques médicales peuvent être installées à l'intérieur des unités qu'elles alimentent, montées sur le circuit imprimé ou sur le châssis. Elles peuvent également être externes, et dans cette catégorie, celles de type PoE (Power over Ethernet) permettent une alimentation par le biais de câbles Ethernet, ce qui permet de se dispenser d'un câble d'alimentation distinct. Les unités peuvent être conçues pour offrir une, deux ou plusieurs sorties de tension différentes, selon les besoins du concepteur.
Le module MINT1045A2475K01 de SL Power Electronics est un exemple d'alimentation électrique CA en CC à cadre ouvert capable de fournir 24 volts CC à 1,9 ampères, pour un encombrement très réduit (5 cm par 7,5 cm et 2,5 cm de haut seulement). Et peut-être plus important encore pour les applications médicales critiques, il offre deux niveaux de protection MOPP. La fiche technique du MINT1045A2475K01 indique que cette unité fait partie d'une gamme de produits similaires offrant 12, 15, 28 ou 48 VCC. Tous les produits de cette gamme offrent une isolation d'entrée/sortie de 4 500 VCA, et l'isolation entrée/terre comme l'isolation sortie/terre est de 1 900 VCA. Ces valeurs représentent la quantité de tension inattendue externe que les unités peuvent supporter sans défaillance. La version MINT1045A2475K01, tout comme les modèles à 12 et 15 volts sont conçus pour des courants de fuite de 30 micro-ampères.
La conception et la construction des alimentations électriques médicales se heurtent à des obstacles spécifiques, bien souvent négligés, que ne rencontrent généralement pas la plupart des concepteurs d'alimentations électriques. Il est donc préférable de laisser leur fabrication à des spécialistes. Les ingénieurs ne maîtrisant pas parfaitement les questions hautement ésotériques en jeu doivent impérativement se garder de concevoir eux-mêmes ces sources d'alimentation dans un souci de réduction des coûts. Les conséquences pourraient être très graves, comme l'obtention d'un appareil médical aux performances médiocres en raison de problèmes EMI, ou encore le risque réel d'exposer les patients à des décharges électriques dangereuses, voire mortelles.