GaN 장치를 사용하여 외부 의료용 AC/DC 전원 공급 장치의 크기를 축소하는 방법

배터리 기술과 저전력 회로의 발전에도 불구하고 의료 시스템은 완전히 독립적인 배터리 전용 설계가 실현 가능하지 않거나 실용적이지 않거나 허용되지 않을 수 있는 많은 응용 분야 중 하나입니다. 대신, 장비가 종종 AC 라인에서 직접 작동하거나 최소한 배터리가 부족할 때 AC 콘센트를 통해 작동할 수 있어야 합니다.

의료용 전원 공급 장치는 기본적인 AC/DC 전원 공급 장치 성능 사양을 충족하는 것 외에도 전기적 분리, 전압 정격, 누설 전류, 보호 수단(MOP)과 같이 명확하지 않은 성능 고려 사항에 대한 규제 의무를 준수해야 합니다. 이러한 표준은 전원 공급 장치 또는 부하에 장애가 발생하더라도 전원 공급 장치로 인해 작업자나 환자가 위험에 빠지는 일이 없도록 하기 위해 마련되었습니다. 동시에 의료용 전원 공급 장치 설계자는 지속적으로 효율성을 개선하고 크기와 무게를 줄여야 합니다.

이 기사에서는 의료 기기에서 외부 AC/DC 전원 공급 장치의 사용에 대해 설명하고 관련 규제 표준을 검토합니다. 그런 다음 설계자가 이러한 표준을 충족하는 동시에 질화 갈륨(GaN) 전원 장치를 활용하여 전원 공급 장치의 물리적 크기를 거의 절반으로 줄일 수 있는 XP Power의 제품을 소개합니다.

전원 공급 장치 설계 시 기본적인 요구 사항

AC/DC 공급 장치 선택은 표준 전원 공급 장치 성능 지표에서 시작됩니다. 전원 공급 장치는 공칭 DC 전압을 제공하고 부하를 지원하기 위해 해당 전압에서 정격 전류를 공급할 수 있어야 합니다. 범용 공급 장치는 47Hz ~ 63Hz의 주파수에서 광범위한 AC 입력 전압(일반적으로 85VAC ~ 264VAC)을 수용해야 합니다.

이러한 입력 및 출력 전압과 전류 정격은 매우 중요하지만 전원 공급 장치를 완전히 정의하기에는 충분하지 않습니다. 기타 고려할 사항은 다음과 같습니다.

• 스타트업 지연, 스타트업 상승 시간, 홀드업 시간, 라인 및 부하 레귤레이션, 과도 응답, 리플 및 노이즈, 오버슈트 등의 동적 성능 특성
• 과부하, 단락 및 과열로부터 보호
• 공급 장치의 최대 전력 정격의 함수이며 최대 부하, 저부하 및 무부하 지점을 포함하여 부하 곡선을 따라 특정 값을 가져야 하는 효율성 관련 의무 사항.
• 유니티에 가까운 역률(PF)로, 특정 PF 수치는 전력 수준 및 제어 규제 표준의 함수입니다.
• 전자파 적합성(EMC): 전원 공급 장치의 최대 전자파 장해(EMI)/무선 주파수 간섭(RFI)은 물론 정전기 방전(ESD), 복사 에너지, 버스트 에너지 이벤트, 라인 서지 및 자기장에 대한 민감성을 특성화합니다.
• 안전: 입력과 출력 간, 입력과 접지 간, 출력과 접지 간 절연 전압을 포함하여 사용자와 장비를 보호하기 위한 기본 요구 사항을 정의합니다.

의료용 전원 공급 장치에 대한 요구 사항

의료용 전원 공급 장치를 평가할 때는 추가 표준 및 규제 의무로 인해 문제가 더욱 복잡해집니다. 이는 주로 환자와 작업자의 안전과 관련된 것으로, 전원 공급 장치가 단일 또는 이중 장애가 발생할 경우 어느 쪽도 위험에 처하지 않도록 보장합니다.

대부분의 우려는 표류 또는 누설 전류와 관련이 있습니다. 표준 선간 전압(110/230V, 50Hz 또는 60Hz)은 몇 분의 1초간이라도 가슴을 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 임계값이며, 내부 접촉의 경우 위험 수치가 훨씬 낮습니다.

• 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

위험 수준은 가슴을 가로지르거나 통과하는 경우 또는 팔에서 발로 내려가는 경우와 같이 신체와 접촉하는 두 지점을 통과하는 전류 흐름 경로의 함수이기도 합니다. 그렇기 때문에 AC 절연 변압기의 유전체 절연을 통과하는 누설 전류를 최소화하는 것이 중요합니다.

적절한 품질의 절연을 사용하면 누설 전류의 양이 무시할 수 있을 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 이러한 누설은 절연의 불완전한 특성으로 인해 물리적으로 '누설'되는 전류일 수도 있지만, 예외적인 절연을 통과할 수 있는 용량성 결합 전류로 인해 발생할 수도 있습니다.

이상적인 변압기의 간소화된 모델이 1차측과 2차측 사이의 완벽한 전기적(저항) 분리를 보여줍니다(그림 1).

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

이상적인 변압기를 사용하면, 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. 그러나 완벽한 변압기는 없으며 1차측과 2차측의 권선 간 정전 용량이 예상됩니다(그림 2).

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

훨씬 더 정교한 모델에는 권선 간 정전 용량 소스가 추가되어 있습니다(그림 4).

그림 3: 첫 번째 권선(C_ps1) 외에 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 값이 나타날 수 있습니다. 변압기 정전 용량 누설 이외에 의도치 않은 정전 용량의 다른 소스에는 인쇄 회로 기판(PC 기판)의 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. 기본적인 AC 안전 및 절연이 최우선 과제입니다. 전압 및 전력 레벨에 따라 전원 공급 장치에 1차 독립 절연 장벽(또는 물리적으로 강화된 절연) 이외에 2차 독립 절연 장벽도 필요할 수 있습니다. 절연 성능은 시간이 지남에 따라 극한의 온도, 고전압으로 인한 스트레스, 전압 서지 등으로 인해 저하되면서도 여전히 정격을 충족할 수도 있습니다.

첫 번째 절연 층을 일반적으로 '기본 절연'이라고 합니다. 전선 절연을 예로 들 수 있습니다. 두 번째 층은 많은 벽면 장착형 및 데스크톱 전원 공급 장치에서 볼 수 있듯이 절연 인클로저인 경우가 많습니다.

표준 및 보호 수단(MoP)

의료용 전자기기 및 안전에 적용되는 주요 표준은 IEC 60601-1입니다. 가장 최근(4^th) 버전에서는 하나 이상의 '작업자 보호 수단'(MOOP)과 '환자 보호 수단'(MOPP)을 결합한 전반적인 보호 수단(MOP)을 요구함으로써 환자 중심으로 확장되었습니다.

또한 규제 표준에 따라 MOOP 제공 방식과 관련된 보호 등급도 마련되었습니다. 이는 Class I 및 Class II로 지정되며 전원 공급 장치의 구조 및 절연에 적용됩니다. Class I 제품은 전도성 섀시가 안전 접지에 연결되어 있습니다. 로컬 벽면 플러그 호환성을 간소화하기 위해 이 전원 공급 장치에는 안전 접지 도체가 있는 사용자 공급 전원 코드용 IEC320-C14 리셉터클이 있습니다(그림 4, 왼쪽).

이와 대조적으로 Class II 전원 공급 장치에는 안전 접지 연결이 있는 2선 전원 코드가 있습니다(그림 4, 오른쪽). 접지된 섀시가 없기 때문에 사용자와 내부 전류 전달 도체 사이에 두 개의 절연 층(또는 한 개의 강화 절연 층)이 있습니다.

그림 4: Class I(왼쪽) 및 Class II(오른쪽) 장치에는 접지된 3선 또는 접지되지 않은 2선 AC 라인 연결이 있으며, 표준 IEC 콘센트 및 사용자 제공 라인 코드와 함께 사용되는 경우가 많습니다. (이미지 출처: XP Power)

따라서 의료용으로 지정되고 Class I 또는 Class II로 인증된 모든 AC/DC 전원 공급 장치는 관련 표준에 따라 특별히 설계되고 테스트되어야 합니다. 다행히도 XP Power와 같은 전원 공급 장치 공급업체는 이러한 표준을 충족하는 전원 공급 장치를 제공하는 데 필요한 기술, 제조 및 인증 문제를 잘 이해하고 있습니다.

크기 또한 중요

의료용 AC/DC 전원 공급 장치에 부과되는 기술 요구 사항 및 규제 의무는 물리적 크기와 관련이 없지만 크기는 중요합니다. 구급차나 이동식 카트 및 책상 공간이 제한된 임상 환경과 같이 공간이 제한된 곳에서는 대형 소모품이 사용되는 경우 현장 운영 방식이 복잡해질 수 있습니다.

이러한 상황에서는 AC/DC 공급 장치의 크기를 줄이면 도움이 되지만, 이는 어려운 일입니다. 최소 공급 장치 크기는 절연, 연면거리 및 간격을 다루는 규제 지침을 준수해야 하기 때문에 제한됩니다.

전원 공급 장치를 축소할 때 발생하는 또 다른 문제는 열 방출입니다. 전원 공급 장치의 부피와 패키지 표면적이 충분하지 않으면 내부 온도가 더 큰 전원 공급 장치보다 높아져 내부 능동, 수동 및 절연 부품의 성능이 저하됩니다. 강제 공기 냉각은 공기 흐름이 막힐 가능성, 장기적인 신뢰성 문제, 주변 소음 증가로 인해 허용되지 않습니다.

또한 발생된 열로 인해 공급 케이스의 표면 온도가 허용 가능한 수준 이상으로 상승하여 환자와 수술자가 위험에 처할 수 있습니다. 공급 장치 축소의 핵심은 적절한 회로 스위칭 부품을 사용하여 발생되는 열을 최소화하는 것입니다.

바로 이 점에서 질화갈륨 기반 스위칭 장치는 실리콘(Si)에 비해 뚜렷한 이점을 제공합니다. 직렬 저항이 낮고 스위칭 시간이 빠르며 역회복 전하가 낮아 손실을 줄임으로써 더 효율적이고 온도가 낮고 컴팩트한 스위칭 서플라이를 만들 수 있습니다.

한 예로 AQM 계열에 속한 XP-Power의 AQM200PS19를 들 수 있습니다. 19V/10.6A Class I 작동을 위해 정격된 이 전원 공급 장치는 크기가 약 167 × 54 × 33밀리미터(mm)로 동급의 기존 전원 공급 장치의 절반에 불과하며 무게도 600그램(g)에 불과합니다(그림 5).

그림 5: AQM200PS19는 최대 10.6A에서 92%의 효율로 19볼트를 공급하는 200와트 Class I 장치입니다. (이미지 출처: XP Power)

이 외부 전원 공급 장치는 국제 의료 표준에 따라 완벽하게 승인되었습니다. 전기적 매개변수에는 100마이크로암페어(µA) 미만의 환자 누설 전류, 92%의 일반적인 효율성, 0.15와트 미만의 대기 전력 소비, 0.9 이상의 PF가 포함됩니다.

Class I 및 Class II 버전 모두로 제공되는 이 전원 공급 장치는 0°C ~ 60°C에서 작동하도록 정격화되었습니다. IP22 등급을 준수하는 완전 밀폐형 인클로저가 특징이며 표면이 매끄럽게 마감되어 의료 환경에서 쉽게 청소할 수 있습니다.

고전력 시스템의 경우, XP Power는 48볼트/6.25A 출력과 0.5와트 미만의 대기 전력 소비를 지원하는 300와트 Class II 장치인 AQM300PS48-C2를 제공합니다. 이 전원 공급 장치는 약간 더 크지만 크기는 183 × 85 × 35mm에 불과하고 무게는 1,050g으로 여전히 컴팩트합니다.

250와트 정격의 XP Power는 대기 전력 소비가 0.15와트 미만인 24볼트/10.4A, Class 1 전원 공급 장치인 AQM250PS24를 제공하며, 크기는 172 × 67.1 × 32mm입니다.

결론

의료 장비용 외부 독립형 AC/DC 전원 공급 장치는 엄격한 규제, 작동, 성능, 안전 및 효율성 요구 사항을 충족해야 합니다. XP Power의 의료용 등급 외부 전원 공급 장치 AQM 계열은 GaN 장치를 사용하여 이러한 요구 사항을 충족하며, 전체 패키지가 기존 Si 장치의 절반에 불과합니다.