의료 응용 장치를 위한 최적의 DC/DC 컨버터를 선택 및 응용하는 방법

AC 본선이나 배터리 전력으로 구동되는 전원 공급 장치를 설계하는 것은 복잡한 작업입니다. 설계자는 다양한 부하에 걸쳐 안정적 전압과 전류를 제공하면서 효율적인 작동을 통해 전력 손실을 최소화하는 솔루션을 개발해야 합니다. 그러나, 전원 공급 장치가 의료 제품용으로 고안된 경우 전자파 적합성(EMC), 환자와의 전기적 접촉에 관한 엄격한 안전 요구 사항, 전자파 장해(EMI)로부터의 보호로 인해 설계는 더 복잡해 집니다.

설계자가 처음부터 의료용 전원 공급 장치를 개발하는 경우 이러한 요구 사항을 충족하려면 비용과 시간이 많이 소요됩니다. 상업용 모듈식 DC/DC 컨버터를 대안으로 사용할 수 있지만 이러한 솔루션을 선택하고 응용할 때는 주의를 기울여야 합니다.

이 기사에서는 전원 공급 장치 회로에서 DC/DC 컨버터의 역할을 설명하고 의료 응용 장치에 요구되는 선택 기준과 특별한 고려 사항에 대해 설명합니다. 그런 다음 XP Power의 장치 예와 응용 모델을 소개합니다.

DC/DC 컨버터의 역할

배터리의 정격은 공칭 전압으로 지정되지만 출력은 충전 상태, 피크 수요, 온도와 같은 요인의 영향을 받습니다. 핵심적인 특징은 배터리 방전에 따른 전압 출력의 감소입니다. 그러나, IC 및 다른 민감한 부품이 올바르게 기능을 수행하려면 안정된 전압이 필요합니다. DC/DC 컨버터는 최종 제품에 전력을 공급하기 위해 입력 전압 조정을 통해 안정적이고 지속적인 전압을 출력하는 솔루션을 제공합니다.

DC/DC 컨버터는 본선 전력 구동식의 제품에서도 일반적으로 사용됩니다. 초기 AC/DC 컨버터는 하나 이상의 DC/DC 컨버터를 사용하여 AC 본선을 DC 전압으로 조절합니다. 그런 다음, 추가 조절을 통해 해당 전압을 최종 제품에 적합한 수준으로 맞춥니다.

DC/DC 컨버터의 토폴로지는 선형 또는 스위칭형일 수 있습니다. 선형 조절기는 간단하고 강력한 장치이지만 입력 전압과 출력 전압의 차가 증가하면 효율이 떨어집니다. 또한 선형 조절기는 승압(부스트)하거나 전압을 반전하는 대신 감압(벅)만 가능합니다. 전압을 부스트할 수 없다는 것은 배터리의 잠재력을 활용하지 못한다는 것입니다.

스위칭 조절기는 펄스폭 변조(PWM)되고, 일반적으로 에너지 저장 및 필터링을 위해 한 두 개의 인덕터 및 커패시터와 짝을 이루는 한 두 개의 MOSFET으로 구성되는 스위칭 소자를 사용합니다. 설계자가 스위칭 조절기를 선택하는 주요 이유는 높은 효율성과 높은 전력 밀도 때문입니다. 또한 조절기는 전압을 부스트, 벅, 반전할 수 있습니다.

스위칭 조절기를 사용하는 설계자가 해결해야 할 과제에는 스위칭 소자로 인한 설계 복잡성, 비용, 잠재적인 EMI 문제가 포함됩니다. DC/DC 스위칭 조절기를 처음부터 설계할 수 있고 이러한 접근 방식을 통해 비용이나 공간을 일부 절약할 수도 있지만 과정이 복잡하고 시간이 많이 소요됩니다. 한 가지 대안은 XP Power의 JMR 계열과 같은 다양한 상업용 모듈 중에서 선택하는 것입니다. 이 계열은 스위칭 조절기의 주 소자를 콤팩트하고 신뢰할 수 있으며 제품으로 손쉽게 디자인인할 수 있는 단일 장치에 통합합니다(그림 1).

그림 1: JMR 계열과 같은 모듈식 장치는 DC/DC 스위칭 조절기의 주 소자를 콤팩트하고 신뢰할 수 있으며 손쉽게 디자인인할 수 있는 단일 장치에 통합합니다(이미지 출처: XP Power)

DC/DC 컨버터 선택

DC/DC 컨버터 선택 시 고려해야 할 여러 요인들이 있습니다. 일부는 매우 명백합니다. 예를 들어, 응용 제품에 따라 입력 전압과 출력 전압, 입력 전류와 출력 전류가 결정됩니다. 나머지는 미묘한 차이가 있습니다. 예를 들어, 효율성을 최대화하려면 최종 제품의 통상적인 부하 프로필을 고려해야 합니다. 또한 설계자는 최종 제품이 컨버터의 최고 효율성 지점에서 일반적으로 작동하도록 하기 위해 최종 후보에 오른 DC/DC 컨버터의 규격서에 지정된 효율성 곡선을 검토해야 합니다.

XP Power의 JMR1024S05는 의료 응용 제품을 위한 DC/DC 컨버터의 한 좋은 예입니다. 이 컨버터는 울트라 콤팩트한 크기의 인쇄 회로 기판(pc 기판) 실장형 의료용 장치로, 20.3mm x 31.8mm x 10.2mm의 크기와 3mm 슬루홀 리드를 가집니다. 또한 공칭 입력 24V(최소 9V, 최대 36V)에서 5V를 출력합니다. 이 모듈은 2A(암페어)의 최대 출력 전류와 491mA(밀리암페어)의 최대 부하 입력 전류를 제공합니다. 출력 리플 전압은 75mV(밀리볼트) pk-pk이며 효율성은 84.9%입니다.

이 모듈은 무부하 시 전력 소모가 6mA로 매우 낮으므로 효율성이 향상되고 전력 손실이 감소합니다. 원격으로 모듈의 작동을 금지시켜 무부하 시 전력 소비 3mA를 추가적으로 절약할 수 있습니다(그림 2). 핀 1이 개방 회로인 경우 모듈은 on입니다. 핀 1이 2mA ~ 4mA의 전류원에 연결되어 있거나 핀 2를 기준으로 핀 1에 2.2V ~ 12V가 인가된 경우 모듈은 off입니다.

그림 2: JMR1024S05 의 무부하 시 전력 소비는 원격으로 모듈 작동을 금지하는 방식으로 3mA로 줄일 수 있습니다. (이미지 출처: XP Power)

XP Power는 10와트 회선에서의 대안을 제공합니다. 예를 들어, JMR1048S12는 공칭 48V 입력(18V ~ 75V)에서 작동하고 12V 출력을 제공하며 최대 출력 전류 833mA를 지원합니다. 최대 부하 입력 전류는 237mA이며 이 조건에서 작동할 경우 효율성은 88%입니다.

JMR1012D15는 공칭 12V 입력(4.5V ~ 18V)에서 작동하고 ±15V 출력을 제공하며 최대 전류 333mA를 지원합니다. 최대 부하 입력 전류는 957mA이며 이 조건에서 작동할 경우 효율성은 87%입니다.

JMR 10와트 계열의 스위칭 주파수는 300kHz(킬로헤르츠)입니다.

의료 응용 제품을 위한 특수 요구 사항

최종 제품에 사용되는 전기 소자는 엄격한 IEC 60601-1 의료 안전 표준이 적용되므로 의료용 장치는 DC/DC 컨버터로부터 더 많은 것을 요구합니다.

IEC 60601-1에 따라 '장착부'는 환자와 직접 접촉하거나 제품의 일상적인 사용 중에 환자와 접촉할 수 있는 부품을 가진 의료 장치의 소자로 정의됩니다. 이 표준은 환자의 접촉 유형과 의료용 장치의 특성에 따라 장착부를 정의합니다.

B형 등급은 대개 비전도성 장착부에 적용되며 접지에 연결될 수 있습니다. BF형(인체 플로트)은 환자와 전기적으로 연결된 장착부에 적용되며 플로팅되어 접지에서 분리되어야 합니다. BF형은 심장에 직접 접촉되는 장착부를 포괄하지 않습니다. CF형(심장 플로트) 등급은 심장에 직접 연결되는 장착부에 적용됩니다. CF형 장착부는 플로팅되어 접지에서 분리되어야 합니다.

환자에 연결된 의료용 장치는 장착부(및 기타 액세스 가능 부품)가 전압, 전류 또는 에너지 제한을 초과하지 않도록 보호 수단(MOP)을 제공해야 합니다. 호환 가능 보호 접지 연결과 기본 분리는 1 x MOP를 제공하고, 강화형 절연은 2 x MOP를 제공합니다.

MOP는 작업자 보호 수단(MOOP)과 환자 보호 수단(MOPP)으로 추가 분류할 수 있습니다. 환자 연결을 위해 고안된 장치에는 2 x MOPP가 필요합니다.

BF형 및 CF형 등급의 의료 장치용 전원 공급 장치는 1차에서 2차까지 2 X MOPP, 1차에서 접지까지 1 x MOPP를 제공해야 합니다. 전원 공급 장치의 2차 출력에서 접지까지의 추가적인 안전 분리 경우에도 최고 정격의 들어오는 AC 회선 전압에 대해 1 x MOPP를 기준으로 정격이 지정되어야 합니다. 표 1에는 MOOP 및 MOPP 응용 제품 모두에서 기본(1 x MOP) 및 강화형(2 x MOP) 절연에 대한 공기 공간거리, 연면거리, 테스트 전압이 표시되어 있습니다.

표 1: MOOP 및 MOPP 응용 제품 모두에서 기본(1 x MOP) 및 강화형(2 x MOP) 절연에 대한 공기 공간거리, 연면거리, 테스트 전압이 표시되어 있습니다. (표 출처: XP Power)

MOOP 및 MOPP 응용 제품용 MOP 외에도 의료 장치용 전원 공급 장치는 터치 전류, 환자 보조 전류 및 환자 누설 전류를 제한하도록 설계되어야 합니다. 터치 전류에 허용되는 최대 값은 정상 조건에서 100μA(마이크로암페어)이고 단일 오류 조건(SFC)에서 500μA입니다. 이 요구 사항은 정상 작동에서 시스템 접지 누설 전류를 500μA로 효과적으로 제한합니다.

터치 전류, 환자 보조 전류, 환자 누설 전류에 대한 요구 사항은 설계자의 과제를 나타냅니다. 설계자는 전원 공급 장치가 필요한 안전 분리를 제공하는 동시에 정상 작동 시 누설 전류를 최소화하고 고장 조건에서 환자를 접지로부터 격리하여 보호해야 합니다.

마지막으로, 의료용 장치는 IEC 60601-1-2에 설명된 EMC 요구 사항을 준수해야 합니다. 이러한 요구 사항은 생명에 결정적인 장비 가까이에서 작동하는 여러 무선 통신 장치로부터 장비의 내성을 개선하는 것을 목표로 합니다. 요구 사항의 두 번째 목적은 EMC 환경에 대한 제어가 부족한 경향이 있는 병원 외부에서 사용되는 장비에 대한 EMC 지침을 제공하는 것입니다.

2차 분리 단계에서 DC/DC 컨버터 사용

특수 의료 요구 사항의 설계 과제는 두 번째 분리 단계를 도입하기 위해 DC/DC 컨버터를 신중하게 선택함으로써 완화할 수 있습니다. 이러한 단계 추가는 AC 회선 전압에서 기본 분리를 제공합니다. 또한 입력-출력 정전 용량을 최소화하고(20pF ~ 50pF(피코패럿)), 결과적으로 잠재적인 환자 누설 전류를 수 마이크로 암페어 수준으로 줄입니다(그림 3).

그림 3: 승인된 DC/DC 컨버터(오른쪽)를 사용하여 장착부의 전압을 조정하면서 1 x MOPP에 대한 2차 분리를 제공하고 잠재적인 환자 누설 전류를 최소화할 수 있습니다. (이미지 출처: XP Power)

예를 들어, 위에서 설명한 XP Power JMR 계열 10와트 DC/DC 컨버터는 IEC60601-1 의료 안전 기관 인증, 2 x MOPP 5kV AC 강화형 분리, 17pF 분리 정전 용량, 2μA 환자 누설 전류를 제공하여 다양한 BF 및 CF 의료 응용 제품에 손쉽게 통합할 수 있도록 합니다.

최종 제품이 IEC 60601-1-2의 요구 사항을 충족하도록 하는 데 필요한 EMC 필터링은 분리 또는 저누설 전류를 손상시키지 않으면서 의료 장치 시스템 및 컨트롤과 DC/DC 컨버터 사이의 회로에 추가할 수 있습니다. 그림 4는 서지 및 전기적 빠른 과도 현상(EFT), EMI 클래스 B에 대해 권장되는 EMC 필터 회로를 설명합니다.

그림 4: JMR10 계열 DC/DC 컨버터와 사용하기 위해 서지, EFT, EMI 클래스 B에 대한 권장되는 EMC 필터 회로가 표시되어 있습니다. (이미지 출처: XP Power)

표 2에는 입력 전압 12V, 24V, 48V에서 JMR10 계열 장치와 사용할 경우 이러한 회로에 권장되는 부품 값이 표시되어 있습니다.

표 2: 그림 4에 표시된 회로에 대해 권장되는 부품 값이 표시되어 있습니다. (표 출처: XP Power)

결론

고도로 통합된 모듈식 DC/DC 컨버터는 의료용 시스템을 위한 신뢰할 수 있는 고성능 전원 공급 장치의 설계를 간소화합니다. 그럼에도 불구하고 설계자는 IEC 60601-1 인증을 획득한 장치를 신중하게 선택하여 작업자와 환자의 안전 및 EMC에 대한 표준 요구 사항을 충족하도록 해야 합니다.