고유한 의료 요구 사항을 충족하는 적합한 AC/DC 전원 공급 장치 선택

저전력 회로망의 발전과 배터리 기술의 향상으로 인해 휴대용 배터리 구동 시스템이 많은 설계에서 실행 가능한 옵션으로 부상했습니다. 하지만 의료 및 가정 의료와 같은 응용 분야에서 배터리 전용 무선 운영은 실행 불가능하거나 실용적이지 않으며, 바람직하지도 않습니다. 대신 배터리가 부족할 경우 장비를 AC 라인에서 직접 작동하거나 AC 아웃렛에 접속하여 안정적인 작동을 보장해야 합니다. 이러한 경우 AC/DC 전원 공급 장치는 전압 및 전류 출력, 정적 규정, 동적 규정, 결함 및 기타 보호 기능과 관련하여 일반적인 전원 공급 장치 성능을 제공해야 합니다.

또한 기본 전원 공급 장치 성능이 의료 시스템 설계자의 유일한 관심사는 아닙니다. 다양한 규제 표준이 존재하며, 이러한 표준은 전기적 분리 전압, 누설 전류, 두 가지 환자 보호 수단(2×MOPP)과 같은 눈에 잘 띄지 않는 성능 문제에 관한 규정을 추가하여 최근에 업그레이드되었습니다. 규제 표준은 전원 공급 장치로 구동 중인 장비나 전원 공급 장치에 장애가 있더라도 장비로 인해 오퍼레이터 또는 환자가 위험에 빠지지 않도록 보장하기 위해 적용됩니다.

성능, 신뢰성 및 표준 요구 사항과 출시 비용 및 시간 부담으로 인해 전원 공급 장치를 처음부터 설계하는 것은 어려움이 있습니다. 대신 설계자는 최적 솔루션을 위한 기성 옵션을 신중하게 선별해야 합니다.

이 기사에서는 AC/DC 전원 공급 장치를 위한 중요 규제 표준을 검토하여 의료 계측 환경의 AC/DC 전원 공급 장치 응용 분야를 살펴봅니다. 그런 다음 CUI Inc.의 전원 공급 장치를 예를 들어 소개하고, 해당 특성과 해당 장치가 의료 시스템 전원 공급 장치 문제를 해결하는 데 얼마나 도움이 되는지를 설명합니다.

AC 라인 또는 배터리를 사용합니까?

휴대용 배터리 구동 무선 장치가 보편화되어 많은 소비자 제품과 상용 제품에서 선호되고 있지만, 여전히 배터리 전원이 실용적이지 않거나 바람직하지 않은 경우가 많습니다. 일관되고, 안정적이며, 즉각적인 가용성이 중요한 의료 계측 분야에서는 특히 그렇습니다. 의료 시스템에서 AC 라인 작동을 선호하거나 규정하는 이유는 다음과 같습니다.

• 높은 전력, 전압 또는 전류 요구 사항으로 인해 크고, 무겁고, 비싼 배터리 시스템과 충전 관리 회로망이 필요할 수 있습니다.
• 많은 의료 현장에서는 예약 환자로 인해 12시간, 18시간 및 24시간 교대 근무를 운영합니다.
• 1차 전력 또는 비상 백업에 충전용 배터리를 사용할 수 있는 이러한 시스템에서도 시스템을 사용 중인 동안 배터리를 충전해야 하므로, 충전 시간 동안 AC/DC 전원 공급 장치로 전원을 공급해야 합니다.

원칙적으로 전압 및 전류 등급이 적합한 적절한 크기의 기성(OTS) AC/DC 전원 공급 장치는 이러한 시스템에 적합해야 합니다. 이러한 장치는 기본적인 의미에서는 적합하지만 의료용 전원 공급 장치에 적용되는 추가 표준을 충족하지 않습니다.

추가 안전 및 성능 규정의 근거는 의료 분야의 고유한 특성과 환자 또는 오퍼레이터에게 피해를 주는 부품 또는 시스템 고장의 발생 가능성에 있습니다. 전류를 신체에 직접 전도할 수 있는 센서, 프로브 또는 기타 트랜스듀서에 환자가 직접 접촉하여 일상적인 접촉보다 훨씬 큰 위험을 야기하므로 특히 더 까다롭습니다.

안전 기본 사항부터 시작

감전 위험은 일반적으로 높은 전압과 관련이 있지만 간접적인 상관관계만 존재합니다. 환자 또는 사용자 감전의 원인은 신체를 통과한 후 전원으로 돌아가는 전류 때문입니다. 그러나 해당 전류의 귀환 흐름 경로가 없으면 사람이 선간 고전압을 만져도 위험이 없습니다.

특별한 예외는 제외하고 라인 구동 AC/DC 전원 공급 장치에는 다음과 같은 두 가지 역할을 할 수 있는 입력 측 절연 변압기가 있습니다.

• DC로 정류되기 전에 필요에 따라 선간 전압 승압/강압
• 입력/출력을 분리하여 전류가 사용자를 통과한 후 중성선으로 돌아가는 경로 차단. 이는 고장이 발생하여 전압과 전류가 장치 표면에 노출되어 오퍼레이터 또는 환자에게 전도될 수 있는 경우에 중요합니다(그림 1).

절연 변압기에는 AC 라인 중성에서 접지로 연결되는 전선이 없어서 이런 흐름이 일어날 수 없으므로 절연 변압기를 배치하면 전류가 사용자를 통해 흐르지 않습니다.

그림 1: 절연 변압기는 중성에서 접지로 연결되는 전류 경로를 차단하므로 사용자의 장치 또는 시스템이 실수로 노출된 케이스에 연결된 경우에도 전류가 사용자를 통해 흐르지 않습니다. (이미지 출처: Quora)

전류를 걱정하는 이유

표준 선간 전압(110/230V, 50Hz 또는 60Hz)은 몇 분의 1초간이라도 흉부를 통과하는 경우 30mA의 낮은 전류에서 심실세동을 유발할 수 있습니다. 전류가 심장 카테터나 다른 종류의 전극을 통해 심장으로 직접 흐르는 경우 1mA(AC 또는 DC) 미만의 훨씬 낮은 전류로도 세동을 일으킬 수 있습니다.

다음은 피부 표면 접촉을 통해 몸에 흐르는 전류에 대해 자주 인용되는 몇 가지 표준 임계값입니다.

• 1mA: 거의 지각할 수 없음
• 16mA: 보통 키의 사람이 감전되어도 '이탈'할 수 있는 최대 전류
• 20mA: 호흡근 마비
• 100mA: 심실세동 역치
• 2A: 심장 정지 및 장기 손상

또한 해당 수준은 전류 흐름 경로, 즉 신체와의 두 접촉 지점이 흉부를 가로지르거나 관통하는 위치에 있는지, 팔에서 발까지인지, 머리를 가로지르는지 등에 따라 달라지기도 합니다.

변압기 절연과 누설의 중요성

누설은 실제 '누설'이 불완전한 절연 특성 때문인지, 아무리 우수한 절연도 통과할 수 있는 정전 용량 전류 때문인지 여부에 상관없이 절연 유전체를 통과하는 전류입니다. 누설 전류는 바람직하지 않지만 일부 의료 분야에서는 훨씬 심각한 문제입니다.

그림 2에서 간소화된 변압기 모델은 1차측과 2차측 사이의 완벽한 전기적(저항) 분리를 보여줍니다.

그림 2: 이 변압기 기본 모델에는 1차측과 2차측을 연결하는 전류 경로가 없습니다. (이미지 출처: Power Sources Manufacturers Association)

부품 또는 배선 장애로 인해 2차측에 새로운 전류 경로가 제공되더라도 전류가 AC 본선에서 구동 제품으로 직접 흘러 AC 본선까지 완전한 전류 흐름 루프백을 형성할 수 없습니다. 하지만 실제로는 완벽한 변압기는 없으므로 항상 약간의 1차 ~ 2차 권선 간 정전 용량이 존재합니다(그림 3).

그림 3: 보다 현실적인 모델은 1차측과 2차측 사이의 기본 권선 간 정전 용량(C_ps1)을 보여줍니다. (이미지 출처: Power Sources Manufacturers Association)

그림 4에 표시된 훨씬 더 정교한 모델에는 권선 간 정전 용량 소스가 추가되어 있습니다.

그림 4: C_ps1 이외에 다른 변압기 정전 용량이 있습니다. (이미지 출처: Power Sources Manufacturers Association)

바람직하지 않은 이 정전 용량으로 인해 전선 크기, 권선 패턴, 변압기 형상 등 많은 변수에 따라 누설 전류가 흐를 수 있습니다. 1pF부터 몇 µF까지 다양한 결과 값이 나타날 수 있습니다. 변압기 정전 용량 누설 이외에 의도치 않은 정전 용량의 다른 소스에는 인쇄 회로 기판의 간격, 반도체와 접지된 방열판 사이의 절연, 부품 사이의 기생 등이 있습니다.

의료 표준 전원 공급 장치에 정전 용량으로 인한 변압기 누설 전류 문제만 있는 것이 아닙니다. 기본 AC 안전 및 절연 문제가 있습니다. 전압 및 전력 레벨에 따라 전원 공급 장치에 1차 독립 절연 장벽 이외에 2차 독립 절연 장벽이 필요할 수 있습니다.

또한 많은 의료 제품은 신호 레벨이 매우 낮아서(예: 신체 센서의 경우 밀리볼트 또는 마이크로볼트) 생성되는 전자파 장해(EMI) 또는 무선 주파수 장해(RFI)(광의의 전자파 적합성 또는 EMC)도 문제가 됩니다. 관련 표준은 최대 허용 EMI/RFI 생성과 허용 오차 범위를 요구합니다.

표준 및 보호 수단(MOP)

의료 전자기기 및 안전을 규제하는 1차 표준은 IEC 60601-1 - 의료 전기 장비 - 1부: 기본 안전 및 필수 성능에 관한 일반 요구 사항이고 다양한 관련 표준이 있습니다. IEC 60601-1 3^차 개정판에서는 환자 중점을 확장하여 하나 이상의 오퍼레이터 보호 수단(MOOP)과 환자 보호 수단(MOPP)을 결합하는 전체 MOP를 요구합니다.

따라서, 장애로부터 보호하는 2^차 개정판의 기본 조항은 그대로 유지되지만, 3차 개정판에서는 사용자마다 잠재적 위험이 다르게 나타날 수 있다는 것을 인정합니다. 예를 들어, 오퍼레이터는 제어 패널에 접근할 수 있지만 환자는 프로브를 통해 '연결'될 수 있습니다.

특히 3차 개정판 표준에서는 장애 조건을 식별하고 평가하는 위험 관리 파일을 포함하는 ISO 14971에 설명된 위험 관리 공정을 요구합니다. 최근에 활성화된 4^차 개정판 표준에서는 더욱 강화되었습니다. 첫째, 기술 변화를 고려하기 위해 업데이트를 추가했습니다. 둘째, 위험 분석을 확장하고 해당 의료 기기와 주변의 다른 기기에 모두 영향을 주는 EMC에 대한 상호 우려를 해결합니다. 다시 말해서 이 표준에서는 '수행할 작업' 또는 '작업 방법'을 너머 관련 위험에 대한 평가 및 정량화와 완화 방법을 요구합니다.

전원 공급 장치 및 MOP

규제 표준에서는 위험한 전압으로부터 오퍼레이터를 보호하기 위한 수단으로 클래스 I 및 클래스 II로 지정되는 제품 보호 클래스를 생성했습니다.

클래스 I 제품에는 안전 접지에 연결되는 도체 섀시가 있습니다. 따라서 보호 클래스 I 제품에는 안전 접지 컨덕터가 있는 입력 전력 코드가 필요합니다. 이에 반해 클래스 II 제품의 입력 전력 코드에는 안전 접지 컨덕터가 없습니다. 접지된 섀시가 없는 대신에 오퍼레이터 보호를 위한 2차 절연 층이 포함되어 있습니다(그림 5).

그림 5: 클래스 I 장치는 기본 절연과 접지된 섀시만 필요하고, 클래스 II 장치는 추가 절연 모드가 필요합니다. (이미지 출처: CUI Inc.)

MOOP 또는 더 엄격한 MOPP 요구 사항을 비롯하여 IEC 60601-1의 분리, 연면거리 및 절연과 같은 MOP에 대한 다른 요구 사항이 있습니다(그림 6).

그림 6: 보호 수단과 레벨에 따라 정격 절연 전압, 연면거리 및 절연에 대한 규정이 다릅니다. (이미지 출처: CUI Inc.)

표준에서는 다양한 응용 분야에 필요한 분류를 정의합니다. 예를 들어 혈압 모니터와 같이 환자와 실제로 접촉하는 장비는 일반적으로 두 MOOP 및 단일 MOPP에 대한 요구 사항을 모두 충족해야 합니다.

파라미터는 여러 요소에 따라 최대값이 달라지므로 각 파라미터에 필요한 값에 하나의 수치를 할당할 수는 없습니다. 또한 전체 설계에서 단일 또는 이중 MOP를 사용하는지와 해당 MOP가 MOPP인지 MOOP인지에 따라 최대값이 달리 정의됩니다.

IEC 보호 클래스는 감전으로부터 사용자를 보호하기 위해 전원 공급 장치의 제조 및 절연을 규정합니다. IEC 보호 클래스 II 전원 공급 장치에는 2선식 전력 코드가 있고, 사용자와 전류가 흐르는 내부 컨덕터 사이에 두 절연 층(또는 강화된 단일 절연 층)이 있습니다.

첫 번째 절연 층을 일반적으로 '기본 절연'(예: 전선에 일반적으로 사용되는 절연)이라고 합니다. 그리고 두 번째 절연 층은 주로 제품이 담겨 있는 절연 케이스이며 '이중 절연' 레이블이 부착되어 있습니다(예: 벽면 장착 및 데스크톱 전원 공급 장치에 사용되는 플라스틱 케이스).

제작하시겠습니까? 아니면 구매하시겠습니까?

기본 전원 공급 장치 설계는 많은 사용 가능한 부품, 응용 참고 사항, 참조 설계 등에서 지원됩니다. 따라서 설계자는 응용 분야의 요구 사항과 우선순위에 맞게 정밀하게 조정된 자체 전원 공급 장치를 설계하여 제작하려고 할 수 있습니다. 당연히 전원 공급 장치의 요구 사항이 정상적이지 않거나 특이하여 상용 전원 공급 장치가 제공되지 않아서 '제작'하는 수밖에 없는 경우도 있습니다.

'제작'의 타당성에도 불구하고 '제작'은 설계 및 인증 위험이 높고 출시 시간이 길어진다는 주장이 강합니다. 또한 '제작' 노력에 비해 전원 공급 장치 벤더의 수가 많을수록 부품 명세서(BOM) 및 조립 비용이 낮아지므로, '제작'은 규제 문제가 덜 엄격한 매우 낮은 전력 레벨(약 10와트 미만)을 제외하면 비용 절감 효과도 없습니다.

OTS 장치: 다양한 전력 레벨, 폼 팩터

의료 분야에 대한 인증되고 규제 승인된 AC/DC 전원 공급 장치에 대해 추상적으로 언급되는 것도 당연하지만, 사용 가능한 일부 버전을 살펴보면 이러한 규정을 충족하는 것이 사용 유연성을 제약하지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 벤더는 다양한 전원 공급 장치 제품군을 제공하고 각 제품군 내에 다양한 전압/전류 등급이 있으므로 거의 모든 프로젝트 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 일부 예에서는 외부 어댑터, 개방형 프레임 모듈 및 폐쇄형 장치에서 사용 가능한 전원 공급 장치의 폭을 보여줍니다.

예제 1: SDM65-UD 계열과 같은 외부 데스크톱 어댑터에는 24V, 2.7A SDM65-24-UD-P5가 포함되어 있습니다(그림 7). 이 클래스 II 전원 공급 장치 제품군은 랩톱 및 유사한 장치를 구동/충전하는 데 주로 사용되며 90V ~ 264V 및 47Hz ~ 63Hz의 범용 입력 범위를 제공합니다.

이러한 공칭 65W 장치는 12V(5A) ~ 5V(1.36A) 출력을 제공하고, 120mm × 60mm × 36mm 크기의 완전 밀폐형 절연 패키지에 하우징되며, 사용자 편의를 위한 '전원 켜기' 표시기 LED가 포함되어 있습니다.

그림 7: SDM65-24-UD-P5는 구동 장치와 관련하여 외부용으로 사용하기 위한 24V, 2.7A, Class II AC/DC 전원 공급 장치입니다. (이미지 출처: CUI Inc.)

이 제품군에 속하는 전원 공급 장치는 사용자 제공 IEC320/C8 2선식 AC 코드를 통해 작동됩니다. DC 출력은 150cm 코드(전원 공급 장치의 출력 전류에 따라 16 게이지 또는 18 게이지)와 함께 제공되며, 두 극성 방향 중 하나와 많은 일반 '배럴' 플러그 종단 또는 피복을 벗겨내고 주석으로 도금한 전선 중 하나로 주문할 수 있습니다(그림 8).

그림 8: SDM65-UD 계열 전원 공급 장치는 DC 출력 커넥터를 위한 많은 표준 배럴 커넥터 옵션과 피복을 벗겨내고 주속으로 도금한 리드와 함께 제공됩니다. (이미지 출처: CUI Inc.)

예제 2: VMS-550 계열과 같은 개방형 프레임(또는 트레이) 모듈에는 VMS-550-48, 48V, 11.5A 장치가 포함되어 있습니다. 이 제품군에 속하는 전원 공급 장치는 최대 550W의 지속 전력과 12V/42A ~ 58V/9.5A 출력을 제공하며, 산업 표준 3인치 × 5인치 실장 면적과 1.5인치의 낮은 높이를 지원합니다 (그림 9).

그림 9: 개방형 프레임 VMS-550-48은 48V/11.5A 및 3인치 × 5인치 실장 면적을 제공합니다. (이미지 출처: CUI Inc.)

이 전원 공급 장치는 이 전력 레벨의 규제 요구 사항인 역률 보정(PFC)을 포함하며, 0.5W 미만의 대기 내전력과 최대 92% 효율성을 제공합니다. 또한 -40°C ~ 70°C 온도 범위에서 작동하고 로컬 냉각 팬을 위한 별도 12V/0.5A 출력을 포함합니다. 이 클래스 II 장치에 대한 AC 연결은 결합된 암 커넥터로 종단 처리된 2선식 케이블을 사용하여 전원 공급 장치 회로 기판의 수 커넥터를 통해 이루어집니다.

규격서에는 실장 스탠드오프 및 나사와 냉각 바닥판의 배열을 보여주는 유용한 기계 도면과 열 부하 경감 곡선이 포함되어 있습니다(그림 10).

그림 10: VMS-550-48 전원 공급 장치에 적합한 크기 및 실장 배열을 보여주는 기계 도면 (이미지 출처: CUI Inc.)

예제 3: VMS-450B 계열과 같은 폐쇄형 장치에는 100VAC ~ 240VAC 입력에서 24V/18.8A를 제공하는 450W 전원 공급 장치인 VMS-450B-24-CNF가 포함되어 있습니다. 이 전원 공급 장치는 크기가 127mm × 86.6mm × 50mm(약 5인치 × 3.4인치 × 2인치)이며, EMI/RFI를 줄이고 전원 공급 장치와 사용자를 모두 물리적으로 어느 정도 보호하면서 공기가 흐를 수 있게 해주는 금속 차폐와 함께 제공됩니다(그림 11).

그림 11: 450W VMS-450B-24-CNF AC/DC 전원 공급 장치 계열은 24V/18.8A를 공급하며 보호 인클로저와 함께 제공됩니다. (이미지 출처: CUI Inc.)

이 계열의 전원 공급 장치는 12V/37.5A ~ 56V/8A를 공급할 수 있으며, PFC와 팬을 위한 12V, 600mA 드라이브와 추가 5V, 1A 보조 DC 출력을 제공하므로 많은 응용 분야에서 별도의 소형 전원 공급 장치가 필요하지 않습니다.

결론

의료 분야를 위한 AC/DC 전원 공급 장치는 기본 안전 요구 사항과 추가 안전 요구 사항을 포괄하는 복잡하고 엄격한 규제 표준 및 규정을 충족해야 합니다. 모든 관련 표준을 충족하는 전원 공급 장치는 다양한 전력 정격으로 제공되며, 외부 '데스크톱' 스타일, 최종 제품 통합용 '드롭인'을 포함하는 폼 팩터로 제공됩니다. 이러한 표준 장치 중 하나를 선택하여 시스템 설계자는 전원 공급 장치 설계, 인증, 최종 승인 및 제조와 관련한 모든 문제를 해결합니다.