Use dispositivos de GaN para reduzir as fontes de alimentação CA/CC externas de uso médico

Apesar dos avanços na tecnologia de baterias e nos circuitos de baixa potência, os sistemas médicos são uma das muitas aplicações em que os projetos completamente fora da rede e somente com baterias podem não ser viáveis, práticos ou aceitáveis. Em vez disso, o equipamento deve operar diretamente a partir de uma linha de CA ou, pelo menos, ser capaz de depender de uma tomada de CA para funcionar quando as baterias estiverem fracas.

Além de atender às especificações básicas de desempenho da fonte de alimentação CA/CC, as fontes de alimentação médicas devem atender às exigências regulatórias para considerações de desempenho menos óbvias, como isolação galvânica, tensões nominais, corrente de fuga e meios de proteção (MOP). Esses padrões estão em vigor para garantir que a unidade energizada não coloque o operador ou o paciente em risco, mesmo que haja falhas na alimentação ou na carga. Ao mesmo tempo, os projetistas de fontes de alimentação médicas devem continuar melhorando a eficiência e reduzindo o tamanho e o peso.

Este artigo discute o uso de fontes de alimentação CA/CC externas em instrumentos médicos e analisa os padrões regulatórios associados. Em seguida, ele apresenta os produtos da XP Power que os projetistas podem usar para atender a esses padrões e, ao mesmo tempo, aproveitar os dispositivos de potência em nitreto de gálio (GaN) para reduzir o tamanho físico da fonte de alimentação em quase metade.

Requisitos básicos de projeto da fonte de alimentação

A seleção de uma fonte CA/CC começa com as métricas padrões de desempenho da fonte de alimentação. A fonte deve fornecer a tensão CC nominal e ser capaz de fornecer a corrente nominal nessa tensão para suportar a carga. Uma fonte universal deve acomodar uma ampla gama de tensões de entrada CA (normalmente de 85 volts CA (VCA) a 264 VCA) em frequências de 47 a 63 Hertz (Hz).

Esses dimensionamentos de tensão e corrente de entrada e saída são essenciais, mas insuficientes para definir completamente uma fonte de alimentação. Outras considerações incluem:

• Atributos de desempenho dinâmico, como retardo na partida, tempo de subida na partida, tempo de espera, regulagem de linha e carga, resposta transitória, ondulação e ruído e sobressinal
• Proteção contra sobrecargas, curtos-circuitos e superaquecimento
• Mandatos de eficiência, que são uma função do dimensionamento de potência máxima da fonte e devem ter valores específicos ao longo da curva de carga, incluindo pontos de plena carga, pouca carga e sem carga
• Um fator de potência (PF) quase unitário, em que o número específico de PF é uma função do nível de potência e do padrão regulatório de controle
• Compatibilidade eletromagnética (EMC), que caracteriza a interferência eletromagnética (EMI)/interferência de radiofrequência (RFI) máxima da fonte, bem como sua suscetibilidade a descargas eletrostáticas (ESD), energia da radiação emitida, eventos de rajadas de energia, surtos de linha e campos magnéticos
• Segurança, que define os requisitos básicos para proteger o usuário e o equipamento, incluindo a tensão de isolação entre a entrada e a saída, da entrada ao ponto terra e da saída ao ponto terra

Requisitos para fontes de alimentação médicas

Normas adicionais e mandatos regulatórios complicam ainda mais a avaliação de uma fonte de alimentação para aplicações médicas. Elas estão relacionadas principalmente à segurança do paciente e do operador, garantindo que a fonte de alimentação não coloque nenhum deles em risco no caso de uma falha única ou até mesmo de uma falha dupla.

Grande parte da preocupação está relacionada a correntes parasitas ou de fuga. Uma tensão de rede padrão (110/230 volts; 50 ou 60 Hz)) através do tórax, mesmo por uma fração de segundo, pode induzir fibrilação ventricular a correntes tão pequenas quanto 30 miliamperes (mA). Se a corrente tem um caminho direto ao coração, como através de um cateter cardíaco ou outro eletrodo, uma corrente muito inferior a 1 mA (CA ou CC) pode causar fibrilação.

Esses são alguns limites padrões citados frequentemente para a corrente que atravessa o corpo por meio do contato com a superfície da pele, e os perigos são muito mais baixos para o contato interno:

• 1 mA: pouco perceptível
• 16 mA: corrente máxima que uma pessoa de tamanho médio pode agarrar e soltar
• 20 mA: paralisia dos músculos respiratórios
• 100 mA: limite de fibrilação ventricular
• 2 A: parada cardíaca e dano ao órgão interno

Os níveis de risco também são uma função do caminho do fluxo de corrente através de dois pontos de contato com o corpo, como através do peito, ou de um braço até os pés. Por isso, é fundamental minimizar as correntes de fuga que passam pelo isolamento dielétrico de um transformador de isolação CA.

Pode parecer que o valor da corrente de fuga seria insignificante com uma isolação de qualidade adequada. No entanto, embora essa fuga possa ser uma corrente que "escapa" fisicamente devido à natureza não perfeita da isolação, ela também pode resultar de correntes acopladas capacitivamente que podem atravessar até mesmo uma isolação excepcional.

Um modelo simplificado de um transformador ideal mostra a isolação galvânica (ôhmica) perfeita entre os lados primário e secundário (Figura 1).

Figura 1: Um modelo básico de um transformador mostra que não há caminho de corrente do lado primário para o lado secundário. (Fonte da imagem: Power Sources Manufacturers Association)

Com um transformador ideal, nenhuma corrente pode fluir diretamente da rede elétrica CA para o produto energizado e formar uma malha de corrente completa de volta à rede elétrica CA, mesmo que um componente ou falha na fiação forneça um novo caminho de corrente no lado secundário. Entretanto, nenhum transformador é perfeito, e a capacitância entre os enrolamentos primário e secundário é esperada (Figura 2).

Figura 2: Um modelo mais realista mostra a capacitância básica entre os enrolamentos (C_ps1) entre os lados primário e secundário. (Fonte da imagem: Power Sources Manufacturers Association)

Um modelo mais sofisticado acrescenta fontes adicionais de capacitância entre os enrolamentos (Figura 3).

Figura 3: Há outras capacitâncias do transformador além do existente entre os enrolamentos (_Cps1). (Fonte da imagem: Power Sources Manufacturers Association)

Essa capacitância indesejada permite o fluxo de corrente de fuga, e seu valor é uma função de muitas variáveis, como tamanho do fio, padrão de enrolamento e geometria do transformador. O valor pode variar de um picofarad (pF) a alguns microfarads (µF). Além da fuga baseada na capacitância do transformador, outras fontes de capacitâncias não intencionais são os espaçamentos nas placas de circuito impresso, o isolamento entre os semicondutores e o dissipador de calor aterrado e os parasitas entre outros componentes.

A corrente de fuga do transformador devido à capacitância não é a única preocupação abordada pelas normas médicas de fonte de alimentação. A segurança e a isolação básica CA são prioridades. Dependendo dos níveis de tensão e potência, as fontes também podem precisar de uma segunda barreira de isolação independente, além da barreira primária (ou isolação fisicamente reforçada). O desempenho da isolação também se degrada com o tempo devido a temperaturas extremas, estresse devido à alta tensão e picos de tensão, embora ainda possa atender ao seu dimensionamento.

A primeira camada de isolação é normalmente chamada de "isolação básica". Um exemplo é a isolação dos fios. A segunda camada é geralmente um gabinete isolado, como visto em muitas fontes de alimentação para montagem em mesa e na parede.

Normas e meios de proteção (MoP)

A principal norma que rege a eletrônica médica e a segurança é a IEC 60601-1. A edição mais recente (4^a) amplia o foco no paciente, exigindo um meio geral de proteção (MOP) que combina um ou mais "meios de proteção do operador" (MOOP) e "meios de proteção do paciente" (MOPP).

As normas regulatórias também criaram classes de proteção em torno de como o MOOP é fornecido. São designadas como Classe I e Classe II e regem a construção e a isolação das fontes de alimentação. Um produto de Classe I tem um chassi condutor conectado ao ponto terra de segurança. Para simplificar a compatibilidade com o plugue de parede local, a fonte tem um receptáculo IEC320-C14 para um cabo de força fornecido pelo usuário com um condutor terra de segurança (Figura 4, à esquerda).

Por outro lado, as fontes de alimentação Classe II têm um cabo de força de dois fios com uma conexão terra de segurança (Figura 4, à direita). Devido à ausência de um chassi aterrado, há duas camadas de isolação (ou uma única camada de isolação reforçada) entre o usuário e os condutores internos portadores de corrente.

Figura 4: As unidades Classe I (esquerda) e Classe II (direita) têm conexões de linha CA aterradas de três fios ou não aterradas de dois fios, geralmente usadas com receptáculos da norma IEC e cabos de energia fornecidos pelo usuário. (Fonte da imagem: XP Power)

O resultado é que qualquer fonte de alimentação CA/CC designada para aplicações médicas e certificada como Classe I ou Classe II deve ser especialmente projetada e testada de acordo com as normas relevantes. Felizmente, os fornecedores de fontes de alimentação, como a XP Power, entendem as questões técnicas, de fabricação e de certificação necessárias para fornecer fontes que atendam a essas normas.

O tamanho também é importante

Os requisitos técnicos e as exigências regulatórias impostas às fontes CA/CC de uso médico não se preocupam com o tamanho físico, mas o tamanho é importante. Fontes grandes complicam o arranjo operacional no local onde o espaço é limitado, como em uma ambulância ou em um ambiente clínico onde o carrinho móvel e o espaço na mesa são limitados.

Diminuir o tamanho da fonte CA/CC seria benéfico nessas situações, mas é um desafio. As dimensões mínimas da fonte são limitadas pela necessidade de aderir às diretrizes regulamentares que abrangem isolação, fuga e folga.

Outro problema com o encolhimento da fonte é a dissipação térmica. Se o volume e a área de superfície do invólucro da fonte forem insuficientes, sua temperatura interna será mais alta do que seria em uma fonte maior, degradando os componentes internos ativos, passivos e isolantes. O resfriamento por ventilação forçada é inaceitável devido a possíveis bloqueios do fluxo de ar, preocupações com a confiabilidade a longo prazo e ruído ambiente adicional.

Além disso, o calor gerado pode fazer com que a temperatura da superfície do gabinete da fonte aumente além do aceitável, colocando em risco os pacientes e os operadores. O segredo para diminuir as fontes é usar componentes adequados de chaveamento de circuito para minimizar o calor gerado.

É nesse ponto que os dispositivos de chaveamento baseados em GaN oferecem vantagens distintas em relação ao silício (Si). Sua menor resistência em série, tempos de chaveamento mais rápidos e menor carga de recuperação reversa reduzem as perdas, resultando em uma fonte de alimentação chaveada mais eficiente, mais fria e compacta.

Um exemplo é o AQM200PS19 da XP-Power, um membro da série AQM. A fonte é dimensionada para operação de 19 volts/10,6 amperes (A) Classe I. A unidade mede aproximadamente 167 × 54 × 33 milímetros (mm), o que é a metade de uma fonte tradicional com esses dimensionamentos, e pesa apenas 600 gramas (g) (Figura 5).

Figura 5: O AQM200PS19 é uma unidade de classe I de 200 watts que fornece 19 volts a até 10,6 A com 92% de eficiência. (Fonte da imagem: XP Power)

Essa fonte de alimentação externa é totalmente aprovada pelas normas médicas internacionais. Os parâmetros elétricos incluem uma corrente de fuga do paciente inferior a 100 microamperes (µA), uma eficiência típica de 92%, um consumo de potência em modo de espera inferior a 0,15 watt e um PF >0,9.

Disponível nas versões de Classe I e Classe II, a fonte é dimensionada para operação de 0° a 60°C. Apresenta um gabinete totalmente vedado que atende às classificações IP22, e seu acabamento de superfície lisa facilita a limpeza em ambientes médicos.

Para sistemas de maior potência, a XP Power tem o AQM300PS48-C2, uma unidade de classe II de 300 watts dimensionada para saída de 48 volts/6,25 A e um consumo de potência em modo de espera de menos de 0,5 watt. Embora um pouco maior, essa fonte ainda é compacta, com apenas 183 × 85 × 35 mm e pesa 1.050 g.

Em um dimensionamento de 250 watts, a XP Power oferece a AQM250PS24, uma fonte de alimentação Classe 1 de 24 volts/10,4 A com um consumo de potência em espera de menos de 0,15 watt. Mede 172 x 67,1 x 2 mm.

Conclusão

As fontes de alimentação CA/CC externas e avulsas para equipamentos médicos devem atender a requisitos rigorosos de regulamentação, operação, desempenho, segurança e eficiência. A série AQM de fontes de alimentação externas com dimensionamento médico da XP Power excede essas exigências usando dispositivos de GaN, resultando em um invólucro geral que tem a metade do tamanho de uma unidade clássica de Si.