医療機器と現代の医療診断および治療の関係はますます緊密になってきています。医療機器には安全で安定した電源が欠かせませんが、その多くはスイッチング電源です。 医療機器が最大限の効率を発揮できるかどうかは、医療機器自体の技術的性能に直接関係するだけでなく、電源の品質にも関係します。 電源の品質は医療機器の安定性と信頼性に直接影響します。標準以下の電源を備えた製品は、重大な医療機器事故や多大な経済的損失につながる可能性があります。

安全絶縁は、一般的な商用電源と医療用電源の重要な違いです。 一般医療機器は、図1、図2に示すように電源の違いによりクラスI医療機器（金属ケース）とクラスII医療機器（プラスチックケース）のXNUMXつに分類されます。 一部の実験・分析機器を除き、ほとんどの医療機器は人に近い治療箇所付近に設置されており、貝殻に触れる機会も多くあります。 医療機器にはあらゆる種類の強い部品と弱い部品があります。強い部品と弱い部品間の絶縁や外皮材の絶縁に問題があると大変危険ですので絶縁設計が必要です。

図 1 クラス I 医療機器の電気的構造 図 2 クラス II 医療機器の電気的構造

機器内のモジュールごとに、機能絶縁、基本絶縁、二重絶縁、強化絶縁など、さまざまなレベルの絶縁が必要です。

機能的絶縁とは、機能横断型モジュールのみを対象とした、電圧システム間の信号または電源のアプリケーションの機能的絶縁を指します。

絶縁は基本的に機能絶縁+感電保護です。

二重絶縁では、基本絶縁（感電に対する基本レベルの保護）を備えたシステムを採用し、電気部品とエンドユーザーの間に補助絶縁層を追加して物理的保護を強化し、基本絶縁時の感電の可能性を軽減します。失敗する。

強化された分離の分離効果は二重分離に関連していますが、必要なシェルは 1 つだけです。 絶縁特性を強化した基本的な絶縁装飾であり、プリント基板のレイアウト、芯線、巻線、部品ピンなどの間の物理的絶縁を利用し、同時に安全な沿面距離と電気的要件を満たします。空間距離 (つまり、2 つの電圧システム間の物理的距離)。
したがって、強化された絶縁の設計には二重絶縁がありますが、必要なテスト ポイントは 1 つだけです。二重絶縁および強化絶縁は、一般に、ポータブル医療機器など、電源を接続するための接地ピンのない AC プラグを使用する製品 (たとえば、図 3 の輸液ポンプとそのプラグ) に適用できます。

図3

図 1 および図 2 に示すように、医療用電源の安全基準によれば、患者保護のための機器の絶縁要件は次のとおりです。 (1)L、N←→適用部：二重絶縁または強化絶縁、耐電圧AC4000V、電気的空間距離5mm、沿面距離8mm。 (2)L、N←→主体金具：基礎絶縁、耐電圧AC1500V、電気空間距離2.5mm、沿面距離4mm

要約すると、「機能絶縁」と「基本絶縁」（つまり、クラス I 絶縁）は、ある電圧レールを別の電圧レールから電気的に絶縁しますが、「二重絶縁」と「強化絶縁」は、同じ設計目標に対して異なる状況で 2 つのソリューションを提供します（つまり、クラス II 絶縁)。 クラス I 製品とクラス II 製品では 2 種類の絶縁方式を選択する必要があります。医療用スイッチング電源の内部構造は規格に従って分割されており、各部品の絶縁耐力、電気的空間距離、沿面距離などを要件に応じて設計する必要があります。一般医療機器の電源は安全性試験の観点から、UL60601-1、C-UL、EN60601-1などの認証を取得する必要があります。 入力端子の絶縁電圧は 4,000V 以上であり、フロア ドレイン電流は低く、安全沿面距離の要件を満たす必要があります。 ただし、高電圧部分、特に機器外郭と接触する可能性の高い部分は二重絶縁が必要となるため、絶縁・絶縁設計を強化する必要があります。

図4と図5図５に２種類の電源の電気的構成を示す。医療用電源規格 (GB 9706.1-2007 規格) によれば、図に示す構造の医療用電源の絶縁パラメータは次のようになります。 4と図。 5 は E1-絶縁耐力 AC 1500 V、電気的空間距離 2.5 mm、沿面距離 4 mm です。 E3 - 絶縁耐力 AC 4 000 V、電気的空間距離 5 mm、沿面距離 8 mm;; E4 - 絶縁耐力 AC 500 V。 相対: C1-Y2 コンデンサ、C2-X2 コンデンサ、C3-Y1 直列コンデンサの XNUMX 倍に相当。

図4 クラスI電源の電気的構造

図5 クラスII電源の電気構造

絶縁要件のこれらのパラメータにより、設計者は、デバイスの選択の最初から適切なマージンを持つデバイスが選択されていることを確認する必要があります。また、電源の種類に関しては、国内の医療機器は主に 220V で動作することがほとんどです。 さまざまなタイプの医療機器の電源要件により、現在は集中電源構造が最も広く使用されています。 つまり、集中型電力コンバータは、さまざまな電圧レベルの必要な出力電圧を生成します。

低コスト、高効率、調整可能な出力電圧、低出力ノイズ、高速な動的応答により、医療機器に非常に適しており、現在医療機器で最も広く使用されている電源モードです。 つまり、図のようになります。図6に示すように、医療機器のスイッチング電源にはAC/DCとDC/DCが含まれます。一次電源の AC/DC コンバータの入力は 50/60Hz および 220V の交流であり、整流およびフィルタ処理が必要です。大きなフィルタ用電解コンデンサが必須であり、AC入力にはEMCフィルタや安全規格に準拠した機器を追加する必要があります。二次電源のDC/DCコンバータはスイッチング電源の心臓部である電力変換に使用されます。

さらに、起動、過電流および過電圧保護、ノイズフィルタリングなどの回路もあります。 サンプリング回路は出力電圧の変化を検出し、基準電圧と比較します。誤差電圧はパルス幅変調（PWM）回路で増幅され、駆動回路によってパワーデバイスのデューティサイクルが制御されて出力電圧が調整されます。基本的な構造を図 6 に示します。

図6 医療機器スイッチの基本構造

入力回路には通常、スイッチ、ヒューズ、AC 干渉防止回路、ソフトスタート回路が含まれます。

ソフトスタート回路はスイッチング電源の保護回路の一つです。スイッチング電源の入力回路の多くは、整流とコンデンサのフィルタ回路で設計されています。 コンデンサの初期電圧は 0 であるため、瞬間的に大きなサージ電流が発生します。 このため、医療機器のスイッチング電源には入力回路へのサージ電流を防止するためにソフトスタート回路が搭載されているのが一般的です。

一般的なソフトスタート回路には、サーミスタ耐サージ電流回路、SCR-R 回路、リレーと抵抗器で構成された回路、タイミングトリガと電流制限抵抗器を使用した回路、ゼロクロスでトリガされる光結合サイリスタと双方向サイリスタで構成された回路などがあります。

ゼロクロストリガを実現する回路の 7 つを図 3 に示します。AC 入力に XNUMX つのフォトカプラが使用され、XNUMX つのフォトカプラが逆並列に接続されています。商用電源の正負の半周期でXNUMXつのフォトカプラが順番にオンになります。商用電源がゼロクロス点にない場合、フォトカプラはXNUMXつだけオンし、このときローレベルが出力されます。商用電源がゼロクロスになると、両方のフォトカプラはオンになりません。このとき、RXNUMX の作用により端子はハイレベルを出力し、出力端には一定周期のパルス信号が得られます。

図7 フォトカプラを使用したゼロクロストリガの回路

単一方向の信号伝送により、入力端と出力端は完全に電気的に絶縁されており、強力な抗干渉能力、長寿命、高い伝送効率を備えています。 オプトカプラは、信号絶縁、スイッチング回路、パルス増幅、ソリッドステートリレー (SSR) などの回路に広く使用されています。AC負荷のアプリケーションでは、フォトカプラと双方向サイリスタが強力な抗干渉能力を備えた絶縁回路を形成します。オプトカプラはスイッチング電源内の異なる回路モジュールを分離できます。回路の電圧安定化のために、リニアフォトカプラをパルス幅変調（PWM）回路で使用してフォトカプラフィードバック回路を形成することができ、制御端子の電流を調整することでデューティ比を変更して、正確な電圧安定化の目的を達成できます。医療製品に広く使用されているため、フォトカプラの品質は医療用スイッチング電源に大きな影響を与えます。 フォトカプラの性能劣化による回路故障を回避し、医療製品の安定性と安全性を確保するには、信頼性の高いフォトカプラ製品を選択する必要があります。さらに、医療機器用の優れた電源システムを選択または構築するには、電源の電磁適合性と耐電磁妨害能力の向上に注意を払う必要があります。 主に PCB の設計とレイアウト、電磁シールド、テストと認証から行われます。 PCB 設計の主なポイントは電源絶縁であり、中核となるのはフォトカプラの選択です。これらの側面から、適切なフォトカプラを拡張して選択できます。選び方についてはこちらの記事をご覧ください。