医療用途の電源には、より一般的な用途に規定されている以上の要件と基準が求められます。これらには、出力電圧とグランドおよび電源主電源との間の絶縁の向上や、EMI/RFI放出の低減が含まれます。欧米では小型のポータブル医療機器の生産が増加し、アジアではあらゆる種類の医療機器の使用が増えているため、今後数年間でこれらの機器が電源市場全体に占める割合は拡大すると予想されます。
世界中の医療用電源の規制は、IEC (国際電気標準会議) 60601-1です。規制の主な区分は、機器が患者と接触する場所に基づいています。タイプB (人体用) は患者の近くでのみ動作する機器用、タイプBF (人体フローティング) は患者に触れる機器用、タイプCF (心臓フローティング) は心臓に接触する可能性のある機器用の電源です。
BF (ボディ フローティング) とCF (カーディオ フローティング) のタイプの「フローティング」という単語に注目してください。ここでこの言葉が意味するのは、これらの基準を満たす医療用電源は、ほとんどの電子機器とは異なり、接地されていないということです。むしろ、地面に対して「浮いている」のです。医療用電源は、患者から誤って接地に流れる可能性があるマイクロアンペア単位で測定される最大許容電流を表す最大許容漏れ電流に関して、IEC 60601-1によって非常に高い基準が定められています。
医療用電源における最も難しいトレードオフは、低リーク電流とEMI/RFIの優れたフィルタリングです。これは、効果的なフィルタに必要なコンデンサが電流リークも許容する傾向があるためです。設計者は、ゼロ電圧スイッチング (ZVS) を使用することでこの難問を回避することに成功しました。このソリューションは、スイッチャーに固有の高周波パルスの立ち上がり時間と立ち下がり時間を遅くし、EMIを低減する効果があります。したがって、電源に必要なフィルタリングが少なくなり、漏れ電流が減少します。この技術は、電子機器でかつて一般的だった従来のアナログ フィードバック ループを使用して実現することは不可能です。最新の医療用電源には、ZVSを実装するようにプログラムできるオンボード デジタル コントローラーが採用されています。これらのコントローラは、医療機器が必要とする電流の変化やAC主電源の変動に応じてパルスを変更するためにも使用されます。
医療分野においても、状況によっては他の状況よりもEMIからの保護を強化する必要があります。たとえば、診断の状況では、医療機器は患者の体から生成または反射される信号の微妙な変化を記録することが求められることがよくあります。このような場合、ごくわずかな量のEMIでも機器のセンサーを圧倒する可能性があるため、可能な限り最高のフィルタリングが必要になります。
医療用電源は、電力を供給するユニットの内部に搭載することも、回路基板またはシャーシに取り付けることもできます。これらは外付けにすることもでき、その一部はPower over Ethernet (POE) 型で、イーサネット ケーブル経由で電力を供給できるため、別の電源ケーブルは不要です。ユニットは、設計者のニーズに応じて、1つ、2つ、またはそれ以上の異なる電圧出力を提供するように指定できます。
SLパワーエレクトロニクス ミント1045A2475K01 これは、24ボルトDCを1.9アンペアで供給しながら、占有サイズが2インチx 3インチ、高さがわずか1.0インチのオープン フレームAC/DC電源の例です。そして、おそらく重要な医療用途にとって最も重要なのは、2つのレベルのMOPP保護を備えていることです。MINT1045A2475K01のデータシートによると、このユニットは12、15、28、または48 VDCを提供する類似製品ファミリーのメンバーです。このファミリのすべてのメンバーは4500 VACの入力/出力絶縁を提供し、入力/グランドおよび出力/グランド絶縁の定格は1900 VACです。後者の値が示すのは、ユニットが故障することなく耐えられる外部の予期しない電圧の量です。MINT1045A2475K01と12ボルトおよび15ボルトのモデルは両方とも、リーク電流の定格は30マイクロアンペアです。
医療用電源の設計と構築には、ほとんどの電源設計者でさえ通常は遭遇しない、多くの特殊かつ見落としがちな障害が伴うため、その製造は専門家に任せるのが最善です。非常に難解な問題に精通していないエンジニアは、電源を自ら設計してコストを節約しようとする誘惑を常に避けるべきです。その結果、EMIの問題により医療製品の性能が低下し、患者が危険な、場合によっては致命的なショックの危険にさらされる可能性が非常に高くなります。
BF (ボディ フローティング) とCF (カーディオ フローティング) のタイプの「フローティング」という単語に注目してください。ここでこの言葉が意味するのは、これらの基準を満たす医療用電源は、ほとんどの電子機器とは異なり、接地されていないということです。むしろ、地面に対して「浮いている」のです。医療用電源は、患者から誤って接地に流れる可能性があるマイクロアンペア単位で測定される最大許容電流を表す最大許容漏れ電流に関して、IEC 60601-1によって非常に高い基準が定められています。
複数レベルの保護が必須
IEC 60601-1規格は、複数のレベルの安全性、つまり保護手段 (MOP) の実施にも関係しており、電源に複数の障害が発生した場合に、潜在的に危害が発生するようになります。これらの安全施行基準は、オペレータ保護手段 (MOOP) と患者保護手段 (MOPP) に分かれています。患者の健康状態はオペレータよりも悪い場合があり、機器はオペレータよりも患者とより密接に接触するため、MOPP要件はMOOP標準よりも厳格です。これらの保護には、堅牢な絶縁、大きな物理的間隔要件 (沿面距離は、MOPと見なされるために2点間に必要とされる空間として定義されます)、および主電圧、高電圧セクション (すべてスイッチャー)、およびユニットのDC出力の要素間の電気的絶縁が含まれます。医療用電源における最も難しいトレードオフは、低リーク電流とEMI/RFIの優れたフィルタリングです。これは、効果的なフィルタに必要なコンデンサが電流リークも許容する傾向があるためです。設計者は、ゼロ電圧スイッチング (ZVS) を使用することでこの難問を回避することに成功しました。このソリューションは、スイッチャーに固有の高周波パルスの立ち上がり時間と立ち下がり時間を遅くし、EMIを低減する効果があります。したがって、電源に必要なフィルタリングが少なくなり、漏れ電流が減少します。この技術は、電子機器でかつて一般的だった従来のアナログ フィードバック ループを使用して実現することは不可能です。最新の医療用電源には、ZVSを実装するようにプログラムできるオンボード デジタル コントローラーが採用されています。これらのコントローラは、医療機器が必要とする電流の変化やAC主電源の変動に応じてパルスを変更するためにも使用されます。
医療分野においても、状況によっては他の状況よりもEMIからの保護を強化する必要があります。たとえば、診断の状況では、医療機器は患者の体から生成または反射される信号の微妙な変化を記録することが求められることがよくあります。このような場合、ごくわずかな量のEMIでも機器のセンサーを圧倒する可能性があるため、可能な限り最高のフィルタリングが必要になります。
漏れ電流は重要なパラメータです
すべてのスイッチング電源と同様に、医療用電源の中心的なコンポーネントは、主電源の電力をユニットの残りの部分に伝える変圧器です。トランスがどれだけよく作られていても、2つのコイルの間には浮遊容量があり、これが漏れ電流の主な発生源となります。漏れ電流は感電の危険を伴うため、どんな犠牲を払ってでも減らさなければなりません。この漏れを減らす一般的な方法は、電力チェーンの最初のものと直列に追加のDC-DCコンバーターを追加することですが、これはコストがかかります。次に、漏れ電流が発生する有効静電容量は、直列に接続された2つのコンデンサの値に相当し、常にどちらかのコンデンサ単独の値よりも小さくなります。DC-DCコンバーターを組み込むと、追加のMOP (保護手段) が追加されるという追加の利点もあります。前述のように、MOPは潜在的な命を救うものであり、60601-1の認証に必須です。医療用電源は、電力を供給するユニットの内部に搭載することも、回路基板またはシャーシに取り付けることもできます。これらは外付けにすることもでき、その一部はPower over Ethernet (POE) 型で、イーサネット ケーブル経由で電力を供給できるため、別の電源ケーブルは不要です。ユニットは、設計者のニーズに応じて、1つ、2つ、またはそれ以上の異なる電圧出力を提供するように指定できます。
SLパワーエレクトロニクス ミント1045A2475K01 これは、24ボルトDCを1.9アンペアで供給しながら、占有サイズが2インチx 3インチ、高さがわずか1.0インチのオープン フレームAC/DC電源の例です。そして、おそらく重要な医療用途にとって最も重要なのは、2つのレベルのMOPP保護を備えていることです。MINT1045A2475K01のデータシートによると、このユニットは12、15、28、または48 VDCを提供する類似製品ファミリーのメンバーです。このファミリのすべてのメンバーは4500 VACの入力/出力絶縁を提供し、入力/グランドおよび出力/グランド絶縁の定格は1900 VACです。後者の値が示すのは、ユニットが故障することなく耐えられる外部の予期しない電圧の量です。MINT1045A2475K01と12ボルトおよび15ボルトのモデルは両方とも、リーク電流の定格は30マイクロアンペアです。
医療用電源の設計と構築には、ほとんどの電源設計者でさえ通常は遭遇しない、多くの特殊かつ見落としがちな障害が伴うため、その製造は専門家に任せるのが最善です。非常に難解な問題に精通していないエンジニアは、電源を自ら設計してコストを節約しようとする誘惑を常に避けるべきです。その結果、EMIの問題により医療製品の性能が低下し、患者が危険な、場合によっては致命的なショックの危険にさらされる可能性が非常に高くなります。