의료기기의 전원 절연 분석

의료 장비와 현대 의학의 진단 및 치료 사이의 관계는 점점 더 가까워지고 있습니다. 모든 의료기기는 안전하고 안정적인 전원공급장치와 분리될 수 없으며, 대부분 스위칭 전원공급장치입니다. 의료기기가 최대 효율을 발휘할 수 있는지 여부는 기기 자체의 기술적 성능과 직접적인 관련이 있을 뿐만 아니라 전원 공급 장치의 품질과도 관련이 있습니다. 전원 공급 장치의 품질은 의료 장비의 안정성과 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 규격에 맞지 않는 전원을 공급하는 제품은 대형 의료기기 사고로 이어질 수 있으며, 막대한 경제적 손실을 초래할 수 있습니다.

안전 절연은 일반 상용 전원 공급 장치와 의료용 전원 공급 장치의 중요한 차이점입니다. 일반 의료기기는 그림 1과 그림 2와 같이 전원 공급 장치에 따라 두 가지 범주로 분류됩니다. Class I 의료 기기(금속 케이스)와 Class II 의료 기기(플라스틱 케이스). 일부 실험 및 분석 장비를 제외하면 대부분의 의료 장비는 사람과 가까운 치료 지점 근처에 설치되어 껍질을 자주 만지는 경우가 많습니다. 의료 장비에는 온갖 종류의 강한 부품과 약한 부품이 있습니다. 강한 부품과 약한 부품 간의 절연이나 쉘 재료의 절연에 문제가 있는 경우 매우 위험하므로 절연 설계가 필요합니다.

그림 1 클래스 I 의료기기의 전기적 구조 그림 2 클래스 II 의료기기의 전기적 구조

장비의 다양한 모듈에는 기능 절연, 기본 절연, 이중 절연, 강화 절연 등 다양한 절연 수준이 필요합니다.

기능적 절연은 교차 기능 모듈에 대해서만 전압 시스템 간 신호 또는 전원 공급 장치의 기능적 애플리케이션 절연을 의미합니다.

절연은 기본적으로 기능적 절연+감전 보호입니다.

이중 절연은 기본 절연(감전에 대한 기본 보호 수준) 시스템을 채택하고 전기 부품과 최종 사용자 사이에 보조 절연층을 추가하여 물리적 보호를 강화함으로써 기본 절연 시 감전 가능성을 줄입니다. 실패하다;

향상된 격리의 격리 효과는 이중 격리와 관련이 있지만 단일 쉘만 필요합니다. 향상된 절연 특성을 갖춘 기본 절연 장식으로 인쇄 회로 기판 레이아웃, 코어 와이어, 권선 및 부품 핀 등 간의 물리적 절연을 활용할 수 있으며 동시에 안전한 연면 거리 및 전기 요구 사항을 충족합니다. 여유 거리(즉, 두 전압 시스템 사이의 물리적 거리).
따라서 향상된 절연 설계에는 이중 절연이 포함되지만 테스트 지점은 하나만 필요합니다.이중 절연 및 강화 절연은 일반적으로 휴대용 의료 장비(예: 그림 3의 주입 펌프 및 플러그)와 같이 접지 핀 없이 AC 플러그를 사용하여 전원 공급 장치를 연결하는 제품에 적용됩니다.

그림 3

그림 1과 그림 2에 나타난 바와 같이 의료용 전원 안전기준에 따르면 환자 보호를 위한 장비의 절연 요구사항은 다음과 같다. (1)L, N←→ 적용 부분: 이중 또는 강화 절연, 절연 내력 AC 4000V, 전기 간극 5mm, 연면 거리 8mm; (2)L, N←→ 금속 쉘: 기본 절연, 절연 내력 AC 1500V, 전기 간극 2.5mm, 연면 거리 4mm

요약하자면, "기능적 절연"과 "기본 절연"(즉, 클래스 I 절연)은 하나의 전압 레일을 다른 전압 레일에서 전기적으로 절연하는 반면, "이중 절연"과 "향상된 절연"은 동일한 설계 목표에 대해 서로 다른 상황에서 두 가지 솔루션을 제공합니다(예: 클래스 II 격리). Class I 제품과 Class II 제품은 두 가지 분리 방법을 선택해야 합니다.의료용 스위칭 전원 공급 장치의 내부 구조는 표준에 따라 구분되며 요구 사항에 따라 다양한 부품의 절연 내력, 전기 간극 및 연면 거리를 설계해야 합니다.안전 테스트 측면에서 일반 의료 장비의 전원 공급 장치는 UL60601-1, C-UL, EN60601-1 등의 인증을 받아야 합니다. 입력 단자의 절연 전압은 4,000V 이상이어야 하며 바닥 드레인 전류는 낮아야 안전 연면 거리 요구 사항을 충족합니다. 그러나 고전압 부품, 특히 장비 외피와 접촉하기 쉬운 부품에는 이중 절연이 필요하므로 절연 및 절연 설계를 강화해야 합니다.

그림 4 및 그림. 그림 5는 두 가지 유형의 전원 공급 장치의 전기적 구조를 보여줍니다. 의료용 전원 공급 장치 표준(GB 9706.1-2007 표준)에 따르면 구조가 그림 4에 표시된 의료용 전원 공급 장치의 절연 매개변수입니다. 5 및 그림. 1는 E1500-절연 강도 AC 2.5V, 전기 간극 4mm 및 연면 거리 XNUMXmm입니다. E3 - 절연 내력 AC 4 000V, 전기 간극 5mm, 연면 거리 8mm; E4 - 절연 내력 AC 500V. 상대: C1-Y2 커패시터, C2-X2 커패시터, C3-이중 Y1 시리즈 커패시터와 동일.

그림 4 클래스 I 전원 공급 장치의 전기적 구조

그림 5 클래스 II 전원 공급 장치의 전기적 구조

이러한 절연 요구 사항 매개변수를 통해 설계자는 장치 선택 초기부터 적절한 마진을 가진 장치를 선택해야 합니다.또한, 전원공급방식에 있어서 국내 의료기기는 대부분 220V 전원을 사용하고 있다. 다양한 유형의 의료 장비의 전원 공급 요구 사항으로 인해 현재 중앙 집중식 전원 공급 장치 구조가 가장 널리 사용됩니다. 즉, 중앙 집중식 전력 변환기는 다양한 전압 레벨의 필요한 출력 전압을 생성합니다.

저비용, 고효율, 조정 가능한 출력 전압, 낮은 출력 잡음 및 빠른 동적 응답으로 인해 의료 장비에 매우 적합하며 현재 의료 장비에 가장 널리 사용되는 전원 공급 장치 모드입니다. 즉, 그림과 같이. 6, 의료 장비의 스위칭 전원 공급 장치에는 AC/DC 및 DC/DC가 포함됩니다.50차 전원 공급 장치의 AC/DC 변환기의 입력은 60/220Hz 및 XNUMXV 교류이므로 정류 및 필터링이 필요합니다. 대형 필터링 전해 콘덴서는 필수이며, AC 입력에는 안전 규격을 적용한 EMC 필터 및 장치를 추가해야 합니다.2차 전원 공급 장치의 DC/DC 컨버터는 스위칭 전원 공급 장치의 핵심 부품인 전력 변환에 사용됩니다.

또한 시동, 과전류 및 과전압 보호, 노이즈 필터링 등과 같은 회로가 있습니다. 샘플링 회로는 출력 전압의 변화를 감지하고 이를 기준 전압과 비교합니다. 오류 전압은 증폭되고 펄스 폭 변조(PWM) 회로를 거친 다음 구동 회로에 의해 전력 장치의 듀티 사이클을 제어하여 출력 전압을 조정합니다. 기본 구조는 그림 6에 나와 있습니다.

그림 6 의료기기 스위치의 기본 구조

입력 회로에는 일반적으로 스위치, 퓨즈, AC 간섭 방지 회로 및 소프트 스타트 회로가 포함됩니다.

소프트 스타트 회로는 스위칭 전원 공급 장치의 보호 회로 중 하나입니다. 스위칭 전원 공급 장치의 대부분의 입력 회로는 정류 회로와 커패시터 필터링 회로로 설계됩니다. 커패시터의 초기 전압은 0이므로 순간적으로 큰 서지 전류가 형성됩니다. 이러한 이유로 의료 장비의 스위칭 전원 공급 장치에는 일반적으로 입력 회로의 서지 전류를 방지하기 위해 소프트 스타트 회로가 장착됩니다.

일반적인 소프트 스타트 회로에는 서미스터 서지 방지 전류 회로, SCR-R 회로, 릴레이와 저항으로 구성된 회로, 타이밍 트리거와 전류 제한 저항을 사용하는 회로, 그리고 포토 커플드 사이리스터와 제로 크로싱에 의해 트리거되는 양방향 사이리스터로 구성된 회로가 있습니다.

제로 크로싱 트리거를 구현하기 위한 회로 중 하나가 그림 7에 나와 있습니다. AC 입력에는 3개의 옵토커플러가 사용되며 XNUMX개의 옵토커플러는 역병렬로 연결됩니다. 상용전원의 양의 반주기와 음의 반주기에서는 두 개의 광커플러가 차례로 켜집니다. 상용전원이 영교차점에 있지 않을 때에는 옵토커플러 하나만 ON 되며, 이때 Low 레벨이 출력됩니다. 상용전원이 제로 크로싱으로 바뀌면 두 옵토커플러는 모두 켜지지 않습니다. 이때 RXNUMX의 작용으로 인해 핀이 하이 레벨을 출력하여 출력단에서 고정된 주기의 펄스 신호를 얻습니다.

그림 7 옵토커플러를 사용한 제로 크로싱 트리거 회로

단방향 신호 전송으로 인해 입력 끝과 출력 끝이 전기적으로 완전히 절연되어 강력한 간섭 방지 기능, 긴 서비스 수명 및 높은 전송 효율을 제공합니다. 광결합기는 신호 분리, 스위칭 회로, 펄스 증폭, 솔리드 스테이트 릴레이(SSR) 및 기타 회로에 널리 사용됩니다.AC 부하를 적용할 때 광커플러와 양방향 사이리스터는 강력한 간섭 방지 기능을 갖춘 절연 회로를 형성합니다.광커플러는 스위칭 전원 공급 장치에서 다양한 회로 모듈을 분리할 수 있습니다.회로 전압 안정화를 위해 선형 광커플러를 펄스 폭 변조(PWM) 회로에 사용하여 광커플러 피드백 회로를 형성할 수 있으며, 정밀한 전압 안정화 목적을 달성하기 위해 제어 단자의 전류를 조정하여 듀티비를 변경할 수 있습니다.의료 제품에 폭넓게 적용되기 때문에 광커플러의 품질은 의료용 스위칭 전원 공급 장치에 큰 영향을 미칩니다. 광커플러 성능 저하로 인한 회로 고장을 방지하고 의료용 제품의 안정성과 안전성을 보장하기 위해서는 신뢰할 수 있는 광커플러 제품을 선택해야 합니다.또한, 우수한 의료 장비용 전원 공급 장치 시스템을 선택하거나 구축하려면 전원 공급 장치의 전자기 호환성 및 전자파 방지 능력을 향상시키는 데 주의를 기울여야 합니다. 주로 PCB 설계 및 레이아웃, 전자기 차폐, 테스트 및 인증에서 비롯됩니다. PCB 설계에서 주요 포인트는 전원 절연이고, 코어는 옵토커플러의 선택입니다. 이러한 측면에서 적절한 광커플러를 확장하고 선택할 수 있습니다. 선택 방법은 이 글을 참고하세요.