原标题：选择合适的AC/DC电源以满足独特的医疗要求

　　电池技术的改进以及低功耗电路的进步使便携式电池供电系统成为许多设计的可行选择，但在医疗和家庭保健等应用中，仅电池、不受束缚的操作是不可行、不实用或不可行的。甚至是可取的。取而代之的是，设备必须直接通过交流电源线运行或可以使用交流电源插座，以确保在电池电量不足时可靠运行。对于这些情况，AC/DC 电源必须在电压和电流输出、静态和动态调节以及故障和其他保护功能方面提供通常的电源性能。

　　此外，基本的电源性能并不是医疗系统设计人员唯一关心的问题。存在各种监管标准 - 并且最近已升级 - 增加了针对不太明显的性能问题的额外要求，例如电流隔离电压、泄漏电流和两种患者保护方式 (2×MOPP)。这些措施是为了确保电源供电的设备不会使操作员或患者处于危险之中，即使电源或设备出现故障也是如此。

　　性能、可靠性和标准要求的结合，以及成本和上市时间的压力，使得从头开始设计电源成为一项具有挑战性的提议。相反，设计人员需要仔细筛选一系列现成的选项以获得最佳解决方案。

　　本文着眼于 AC/DC 电源在医疗仪器环境中的应用，回顾了这些电源的关键监管标准。然后介绍了CUI Inc.的示例电源，并讨论了它们各自的特性以及它们如何帮助解决医疗系统电源挑战。

　　使用交流电源线还是电池?

　　尽管不受束缚、电池供电的便携式设备在许多消费和商业产品中变得普遍甚至是首选设备，但仍有许多情况下电池供电不切实际或不受欢迎。对于一致、可靠和即时可用性至关重要的医疗仪器而言尤其如此。医疗系统可能更喜欢或要求 AC 线路运行的原因包括：

　　高功率、电压或电流要求可能需要大型、沉重、昂贵的电池系统以及再充电管理电路。

　　由于患者排班，许多医疗站点每天轮班 12 小时、18 小时甚至 24 小时。

　　即使对于那些可以使用可充电电池作为主电源或紧急备用电源的系统，这些电池也需要在系统使用时充电，在此期间，AC/DC 电源必须提供电源。

　　原则上，任何尺寸合适、具有合适电压和电流额定值的标准现货 (OTS) AC/DC 电源都应该非常适合这些系统。然而，虽然它们在基本意义上是足够的，但它们不符合医疗用品的附加标准。

　　这些额外的安全和性能要求的基本原理是医疗应用的独特性以及组件或系统故障导致患者或操作员伤害的非常现实的可能性。这尤其具有挑战性，因为患者经常与传感器、探头或其他可以将电流直接传导到体内的换能器直接接触，因此比随意接触带来更大的风险。

　　从安全基础开始

　　尽管电击风险通常与较高的电压相关，但只是间接相关。患者或用户电击是由于电流流过身体并返回其源头。但是，如果该电流没有回流路径，那么即使人接触高压线，也没有风险。

　　除了非常特殊的例外，线路供电的 AC/DC 电源具有一个输入侧隔离变压器，它可以起到两个作用：

　　在整流为直流之前，根据需要对线路电压进行升压/降压。

　　提供输入/输出隔离，使电流无法通过用户并返回中性线。这在发生可能将电压和电流施加到设备表面并因此到达并通过操作员或患者的故障时至关重要(图 1)。

　　使用隔离变压器后，这种电流就不会发生，因为隔离变压器没有从交流线中性线到大地的导线路径，因此电流不会流过用户。

　　图 1：隔离变压器断开了从零线到大地的电流路径，因此即使用户的设备或系统意外连接到裸露的外壳，电流也不会流过用户。(图片来源：知乎)

　　为什么要担心电流?

　　穿过胸部的标准线路电压(110/230 伏;50 或 60 赫兹 (Hz))——即使只有几分之一秒——也可能在低至 30 毫安 (mA) 的电流下诱发心室颤动。如果电流通过心脏导管或其他类型的电极直接到达心脏，则低于 1 mA(AC 或 DC)的低得多的电流可能会导致纤颤。

　　这些是一些标准阈值，经常被引用为通过皮肤表面接触通过身体的电流：

　　1 mA：几乎察觉不到。

　　16 mA：平均身材的人可以掌握和“放手”的最大电流。

　　20 mA：呼吸肌麻痹。

　　100 mA：心室颤动阈值。

　　2 A：心脏停顿和内脏器官损伤。

　　这些水平也是电流路径的函数，这意味着与身体接触的两个点所在的位置，例如穿过或穿过胸部，从手臂到脚，或穿过头部。

　　变压器隔离和漏电至关重要

　　泄漏是通过电介质绝缘的电流，无论是由于绝缘的不完善性质造成的物理“泄漏”，还是由于电容电流甚至可以穿过非常好的绝缘。尽管泄漏电流永远不可取，但对于某些医疗应用来说，它是一个更严重的问题。

　　变压器的简化模型在图 2 中显示了其初级侧和次级侧之间的完美电流(欧姆)隔离。

　　图 2：这个变压器的基本模型显示没有从初级侧到次级侧的电流路径。(图片来源：电源制造商协会)

　　没有电流可以直接从交流电源流到供电产品，从而形成一个完整的电流回路返回交流电源，即使组件或接线故障在次级侧提供了新的电流路径。然而，现实世界中没有一个变压器是完美的，并且总是存在一些初级-次级绕组间电容(图 3)。

　　图 3：更真实的模型显示了初级和次级之间的基本绕组间电容 (C ps1 )。(图片来源：电源制造商协会)

　　一个更复杂的模型增加了额外的绕组间电容源，如图 4 所示。

　　图 4：除了 C ps1之外，还有其他变压器电容。(图片来源：电源制造商协会)

　　这种允许泄漏电流流动的不希望有的电容是许多变量的函数，例如导线尺寸、绕组模式和变压器几何形状。结果值的范围可以从低至一皮法 (pF) 到几微法 (µF)。除了变压器电容泄漏之外，无意电容的其他来源是印刷电路板上的间距、半导体和接地散热器之间的绝缘，甚至是其他组件之间的寄生。

　　由电容引起的变压器漏电流并不是唯一的医疗标准电源问题。显然，基本的交流安全和绝缘是令人担忧的问题。根据电压和功率水平，这些电源除了主要的绝缘屏障外，可能还需要第二个独立的绝缘屏障。

　　此外，许多医疗产品涉及非常低的信号电平(例如，人体传感器的毫伏或微伏)，因此产生的电磁干扰 (EMI) 或射频干扰 (RFI)(广义上称为电磁兼容性，或 EMC)也值得关注。相关标准规定了允许的最大 EMI/RFI 产生及其容差。

　　标准和保护手段 (MOP)

　　管理医疗电子设备和安全的主要标准是IEC 60601-1 - 医疗电气设备 - 第 1 部分：基本安全和基本性能的一般要求，以及各种相关标准。IEC 60601-1第 3版扩展了对患者的关注，要求一个整体的 MOP，它结合了一种或多种操作员保护方式 (MOOP) 和患者保护方式 (MOPP)。

　　因此，虽然第 2版中防止故障的基本规定仍然存在，但第 3 版认识到每个用户看到的潜在危险可能完全不同;例如，操作员可以访问控制面板，而患者可以通过探头“连接”。

　　第 3 版标准特别提到了 ISO 14971 中描述的风险管理流程，其中包括识别和评估故障条件的风险管理文件。最近激活的该标准的第 4版更进一步。首先，它添加了更新以考虑技术变化。其次，它还扩展了风险分析，并解决了对 EMC 影响相关医疗设备和附近其他设备的相互关注。换句话说，该标准不仅仅是说“你应该这样做”或“你应该这样做”，而是现在需要评估甚至量化相关风险以及如何减轻风险。

　　用品和拖把

　　监管标准已经创建了产品保护等级，其特点是为操作员提供免受危险电压的保护，指定为 I 类和 II 类。

　　在 I 类产品中，将有一个连接到安全接地的导电底盘。因此，I 类防护产品需要带有安全接地导体的输入电源线。相反，II 类产品的输入电源线中没有安全接地导体。取而代之的是，由于没有接地机箱，因此包含第二层绝缘层以保护操作员(图 5)。

　　图 5：I 类设备仅需要基本绝缘和接地机箱，而 II 类设备需要额外的绝缘模式。(图片来源：CUI Inc.)

　　对 MOP 有不同的要求，例如 IEC 60601-1 中的隔离、爬电和绝缘，包括要求是针对 MOOP 还是更严格的 MOPP(图 6)。

　　图 6：不同的保护方式和等级对隔离电压额定值、爬电距离和绝缘有不同的要求。(图片来源：CUI Inc.)

　　该标准定义了在各种应用情况下需要哪种分类。例如，与患者进行身体接触的设备(例如血压计)通常需要同时满足两个 MOOP 和一个 MOPP 的要求。

　　没有单个数字可以放在每个参数所需的值的前面，因为它们的最大值是许多因素的函数。它们还取决于整体设计是使用单 MOP 还是双 MOP，以及该 MOP 是 MOPP 还是 MOOP。

　　IEC 保护等级管理电源的结构和绝缘，以保护用户免受电击。IEC 保护 II 类电源具有两线电源线，在用户和内部载流导体之间有两层绝缘(或单层加强绝缘)。

　　第一层绝缘通常称为“基本绝缘”，例如通常用于电线的绝缘。然后，第二层绝缘层通常是封装产品的绝缘外壳(并且可能标记为“双重绝缘”)，例如用于壁挂式和台式电源的塑料外壳。

　　制造与购买

　　许多可用组件、应用说明、参考设计等都支持基本电源设计。因此，设计师可能会倾向于设计和构建自己的，精确地根据应用程序要求及其优先级量身定制。毫无疑问，在某些情况下，供应要求是如此不同寻常或独特，以至于没有可用的商业供应，因此“制造”是唯一的途径。

　　尽管“制造”是可行的，但反对它的论据却很强烈：“制造”伴随着高设计和认证风险，以及漫长的上市时间。此外，与“制造”努力相比，供应商数量的增加导致材料清单 (BOM) 和组装成本更低，因此“制造”甚至不能节省成本，除非在非常低的功率水平下(低于大约10 瓦)，其中监管问题不那么严格。

　　OTS 单元：功率等级范围、外形尺寸

　　抽象地谈论经过认证、监管批准的医疗应用 AC/DC 电源是一回事，但查看一些可用版本表明，满足这些要求并不会限制使用灵活性。供应商提供不同系列的电源，每个系列都具有一系列电压/电流额定值，因此可以满足几乎所有项目要求。一些示例显示了外部适配器、开放式框架模块和封闭单元中可用的范围。

　　示例 #1：外部桌面适配器，例如SDM65-UD系列，包括 24 伏、2.7 A SDM65-24-UD-P5(图 7)。该 II 类电源系列通常用于为笔记本电脑和类似设备供电/充电，并提供 90 至 264 伏和 47 至 63 Hz 的通用输入范围。

　　这些标称 65 瓦的装置的输出范围涵盖 5 A 时的 12 伏至 1.36 A 时的 5 伏，封装在一个尺寸约为 120 × 60 × 36 毫米 (mm) 的全封闭绝缘封装中，并包括一个用户方便的“电源-开”指示灯。

　　图 7：SDM65-24-UD-P5 是一款 24 V、2.7 A、II 类 AC/DC 电源，旨在为其供电的设备在外部使用。(图片来源：CUI Inc.)

　　该系列中的电源使用用户提供的 IEC320/C8 两线交流电源线。直流输出带有一根 150 厘米 (cm) 的电源线(16 或 18 规格，取决于电源的输出电流)，可以订购两种极性方向中的任何一种，以及许多常见的“桶形”插头端子中的任何一种或剥线/镀锡线(图 8)。

　　图 8：SDM65-UD 系列中的电源提供了许多用于直流输出连接器的标准筒形连接器选项，以及剥线和镀锡引线。(图片来源：CUI Inc.)

　　示例#2：开放式(或托盘)模块，例如VMS-550系列，包括VMS-550-48，一个 48 伏，11.5 安的单元。该系列中的电源提供高达 550 瓦的连续功率，输出范围为 12 伏/42 安至 58 伏/9.5 安，具有行业标准的 3 × 5 英寸(英寸)占位面积和 1.5 英寸的薄型。(图9)。

　　图 9：开放式 VMS-550-48 在 11.5 A 下提供 48 伏电压，标准尺寸为 3 × 5 英寸(图片来源：CUI Inc.)

　　这些电源包括功率因数校正 (PFC)，这是该功率级别的监管要求，待机功耗小于 0.5 瓦，效率高达 92%。它们在 -40°C 至 70°C 的温度范围内工作，并包括一个用于本地冷却风扇的单独 12 伏/0.5 A 输出。此 II 类设备的交流连接是通过电源电路板上的公连接器使用与匹配母连接器端接的两线电缆连接的。

　　数据表包括热降额曲线以及有用的机械图纸，显示了带有安装支架和螺钉的冷却基板的布置(图 10)。

　　图 10：机械图显示了适用于 VMS-550-48 电源的冷却板的尺寸和安装布置。(图片来源：CUI Inc.)

　　示例#3：封闭式单元，如VMS-450B系列，包括VMS-450B-24-CNF，这是一个 450 瓦电源，可从 100 至 240 伏交流输入提供 18.8 安时的 24 伏。电源尺寸为 127 × 86.6 × 50 毫米(约 5 × 3.4 × 2 英寸)，并配有金属屏蔽层，可在减少 EMI/RFI 的同时为电源及其用户提供一些物理保护(图 11) .

　　图 11：450 瓦 VMS-450B-24-CNF 交流/直流电源系列在 18.8 A 时提供 24 伏电压，并配有保护外壳。(图片来源：CUI Inc.)

　　该系列的电源可提供 37.5 A 的 12 V 至 8 A 的 56 V。它们还包括 PFC 和一个用于风扇的 12 V、600 mA 驱动器，以及一个额外的 5 V、1 A 辅助直流输出，可消除在许多应用中需要单独的小电源。

　　结论

　　用于医疗应用的 AC/DC 电源必须满足大量复杂、严格的监管标准和要求，涵盖基本和附加安全要求。符合所有相关标准的电源具有多种额定功率，并有多种外形尺寸，包括外部“桌面”样式，以及用于集成到最终产品中的“插入式”。通过选择这些标准单元之一，系统设计人员可以摆脱与供应设计、认证、最终批准和制造相关的所有问题。