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          電源隔離設(shè)計(jì)挑戰(zhàn):滿(mǎn)足醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn)

          作者: 時(shí)間:2011-06-28 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          設(shè)計(jì)醫(yī)療產(chǎn)品時(shí),一個(gè)重要的考慮因素是,對(duì)于與患者接觸的產(chǎn)品,要滿(mǎn)足IEC 60601-1和隔離額定值。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)醫(yī)療電氣(ME)設(shè)備的很多方面做出了規(guī)定,以防止患者和操作人員被危險(xiǎn)的高壓和大電流造成損傷。人員安全最關(guān)鍵的方面之一是,最大限度地降低流經(jīng)患者的漏電流,包括AC電流,這也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)最具挑戰(zhàn)性的部分。既然隔離勢(shì)壘總是呈現(xiàn)為電容形式,因此常常必須最大限度地降低隔離勢(shì)壘,以限制信號(hào)電壓和開(kāi)關(guān)電源電壓引起的AC漏電流,這類(lèi)電壓導(dǎo)致容性電流。無(wú)論采用什么樣的電氣隔離機(jī)制,諸如感性隔離或光隔離,這種容性或AC電流都存在,因?yàn)榭偸谴嬖趧?shì)壘電容。泄漏要求最為嚴(yán)格的漏電流是,應(yīng)用部件引起的流經(jīng)患者的漏電流,諸如CF型浮置心臟設(shè)備的應(yīng)用部件、心電圖機(jī)(ECG/EKG)的探針墊等。在正常工作時(shí),AC/DC漏電流合起來(lái)必須低于10μA。

          還必須防止患者和操作人員被機(jī)殼或設(shè)備可接觸部分的泄漏通路損傷。患者或操作人員有可能遭受到的這些電流被稱(chēng)為“接觸電流”。在正常情況下,來(lái)自患者所處環(huán)境之中的醫(yī)療系統(tǒng)部件或部件之間的接觸電流不應(yīng)超過(guò)100μA。在單一故障狀態(tài)(SFC)下,該接觸電流的限值為500μA,所謂單一故障狀態(tài)指的是單重保護(hù)方法失效或存在某種異常情況。

          醫(yī)療電氣設(shè)備須有雙重保護(hù)方法(MOP),以防應(yīng)用部件和其他可接觸部件超過(guò)漏電流和接觸電流限制。保護(hù)方法包括絕緣、空氣空隙、漏電距離、阻抗和保護(hù)性接地。醫(yī)療電氣設(shè)備有兩個(gè)基本類(lèi)別。I類(lèi)醫(yī)療電氣設(shè)備指的是,設(shè)備采取了基本的絕緣措施,同時(shí)可接觸部件被保護(hù)性接地,以提供額外的安全保護(hù)。II類(lèi)醫(yī)療電氣設(shè)備指的是,設(shè)備不僅通過(guò)基本絕緣防止電沖擊,還通過(guò)雙重絕緣或增強(qiáng)絕緣提供額外的安全保護(hù)。至于是通過(guò)保護(hù)性接地還是依靠安裝條件來(lái)滿(mǎn)足II類(lèi)安全要求,沒(méi)有限定。

          雙重絕緣由基本絕緣和補(bǔ)充絕緣組成。雙重絕緣提供雙重保護(hù)方法,而增強(qiáng)絕緣是一種單重絕緣系統(tǒng),也提供雙重保護(hù)方法。為了滿(mǎn)足對(duì)患者雙重保護(hù)(MOPP)方法的要求,組件必須能承受AC測(cè)試電壓。對(duì)于采用固體絕緣材料、具 5kVRMS 額定值的組件,AC 測(cè)試電壓意味著 707VPK或500VRMS的工作電壓。人們普遍認(rèn)為,醫(yī)療隔離措施必須使用厚度為0.4mm的絕緣材料,以滿(mǎn)足最短距離要求。這是滿(mǎn)足雙重絕緣或增強(qiáng)絕緣要求的固體絕緣材料必須滿(mǎn)足的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。另一個(gè)適用的標(biāo)準(zhǔn)是,絕緣體必須由至少兩層絕緣材料組成,每一層都要通過(guò)合適的絕緣強(qiáng)度測(cè)試。就增強(qiáng)絕緣而言,絕緣強(qiáng)度測(cè)試必須足夠保證雙重保護(hù)方法發(fā)揮作用。

          IEC 60601規(guī)定,當(dāng)設(shè)備與患者連接時(shí),流經(jīng)患者的漏電流限度在正常工作情況下為10μA DC,在單個(gè)故障情況下為50μA DC。視設(shè)備類(lèi)型的不同、正常工作或單個(gè)故障情況以及單個(gè)或多個(gè)應(yīng)用部件而不同,流經(jīng)患者的AC漏電流的可接受范圍為10μA至1mA。對(duì)患者最安全的應(yīng)用部件是F型隔離(浮置)應(yīng)用部件,在這種部件中,患者連接點(diǎn)與醫(yī)療電氣設(shè)備的其他部分是隔離的。該隔離必須防止任何高于可允許患者漏電流的電流流過(guò),即使由外部源產(chǎn)生的意外電壓與患者連接并因此加在患者連接點(diǎn)與地之間也一樣。F型應(yīng)用部件進(jìn)一步分類(lèi)為BF型(可用于人體的浮置部件),或CF型(可用于心臟的浮置部件)。參見(jiàn)表1,該表總結(jié)了可允許流經(jīng)患者的電流。表中包括單獨(dú)的應(yīng)用部件的電流以及流經(jīng)患者的總漏電流。流經(jīng)患者的總漏電流是指醫(yī)療設(shè)備工作所需的所有應(yīng)用部件均與患者接觸時(shí)的漏電流。

          表1:可允許流經(jīng)患者的漏電流和接觸電流

          表1:可允許流經(jīng)患者的漏電流和接觸電流

          表1中也列出了接觸電流。接觸電流是從機(jī)殼或設(shè)備部件(不包括患者連接點(diǎn))流出的漏電流,在正常使用時(shí),任何操作人員或患者都可能接觸到。接觸電流通過(guò)一個(gè)外部通路而非保護(hù)性接地導(dǎo)體,流到地或機(jī)殼的另一部分。這個(gè)術(shù)語(yǔ)的含義與“機(jī)殼漏電流”是相同的,現(xiàn)在該術(shù)語(yǔ)的含義在IEC 60601和IEC 60950之間取得了一致,并正確反映出以下事實(shí):漏電流也適用于通常被保護(hù)性接地的部件

          按照IEC 60601-1標(biāo)準(zhǔn),滿(mǎn)足患者雙重保護(hù)方法要求的隔離勢(shì)壘上組件必須在1分鐘的持續(xù)時(shí)間內(nèi)一直保持4kVRMS的隔離。該標(biāo)準(zhǔn)還定義了患者保護(hù)方法(MOPP),敘述了降低患者遭受電沖擊風(fēng)險(xiǎn)所需的隔離保護(hù)。還有一些對(duì)操作人員保護(hù)方法(MOOP)的要求。醫(yī)療電氣設(shè)備需要雙重保護(hù)方法,以在發(fā)生故障導(dǎo)致一種保護(hù)方法不起作用時(shí),降低患者和操作人員的電氣風(fēng)險(xiǎn)。隔離保護(hù)要求包括漏電/間隙距離、絕緣和保護(hù)性接地連接、污染程度和總的漏電流等規(guī)定。患者雙重保護(hù)方法需要漏電距離和空氣間隙增大一倍。很多醫(yī)療電氣產(chǎn)品都是用標(biāo)準(zhǔn)120VAC以及240VAC電源供電的,該標(biāo)準(zhǔn)工作電壓常常升高到250VAC?;颊邌沃乇Wo(hù)方法所需的漏電距離是4mm,患者雙重保護(hù)方法則為8mm。該250VRMS等于354VDC(或峰值),而且就患者雙重保護(hù)方法而言,需要等于4kVRMS的測(cè)試電壓。


          如圖所示,4kVRMS是施加在患者身上的某個(gè)部分直接滿(mǎn)足兩項(xiàng)MOPP的常見(jiàn)隔離要求。有一個(gè)可應(yīng)用于許多醫(yī)療儀器以隔離高達(dá)5kVPK電壓的附加任選要求,這重申了對(duì)于4kVRMS隔離電壓的需求。這是指醫(yī)療設(shè)備及應(yīng)用部分必需防除顫時(shí)的情形。防除顫應(yīng)用部分指的是在其上提供了旨在避免心臟除顫儀的放電對(duì)患者造成不良影響的防護(hù)。從本質(zhì)上說(shuō),除顫儀就是一個(gè)充電電容器與一個(gè)電感器的串聯(lián),起限流的作用。當(dāng)起動(dòng)時(shí),這將產(chǎn)生一個(gè)逐漸衰減的正弦波,而且第一個(gè)振鈴的峰值電壓有可能明顯高于電容器本身上的電荷電壓。IEC 60601標(biāo)準(zhǔn)中統(tǒng)一規(guī)定:5kVPK是該電壓過(guò)沖的最大值,因此它就是當(dāng)隔離勢(shì)壘在患者進(jìn)行除顫的過(guò)程中萬(wàn)一被擊穿時(shí)使患者免遭電擊所必需遵循的。

          電源隔離設(shè)計(jì)挑戰(zhàn):滿(mǎn)足醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn)

          圖1:完整的隔離式 RS485/RS422 微型模塊收發(fā)器 + 1W 電源

          這類(lèi)設(shè)計(jì)環(huán)境極具挑戰(zhàn)性。為醫(yī)療市場(chǎng)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí),要求滿(mǎn)足IEC 60601的規(guī)定。凌力爾特提供一個(gè)日益擴(kuò)充的隔離器件系列,可幫助滿(mǎn)足醫(yī)療隔離要求。

          凌力爾特將推出一個(gè)5kVRMS的隔離器件系列,這個(gè)系列的器件提供集成的電源,以提供高達(dá)1W的功率,還提供隔離式數(shù)據(jù)接口,從而無(wú)需任何外部組件。這個(gè)系列的器件基于2.5kVRMS的隔離式RS485微型模塊(μModule)收發(fā)器LTM2881,該收發(fā)器以高達(dá)20Mbps的速率提供不間斷的通信,能承受高壓瞬態(tài)事件。產(chǎn)品包括效率高達(dá)62%的隔離式1W DC/DC轉(zhuǎn)換器,以5V穩(wěn)定輸出提供充足的功率。從去耦電容、二極管到開(kāi)關(guān)終止電阻器,每一樣?xùn)|西都集成到了該模塊中。隔離勢(shì)壘由兩層電介質(zhì)材料構(gòu)成,能承受高達(dá)5kVRMS的電壓,這將滿(mǎn)足對(duì)漏電距離和間隙的要求。LTM2881在收發(fā)器引腳上以及跨隔離勢(shì)壘提供±15kV的ESD保護(hù)。

          一款出色的故障安全接收器可確保接收器輸出在輸入被短路、置于開(kāi)路狀態(tài)或終接(但未被驅(qū)動(dòng))時(shí)處于一種邏輯高電平狀態(tài)。接收器門(mén)限是平衡的,以在采用長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)接線(xiàn)時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)占空比。另外,LTM2881還通過(guò)在功率耗散過(guò)大的情況下停用驅(qū)動(dòng)器和接收器來(lái)對(duì)其自身實(shí)施保護(hù)。

          同時(shí),1.62V至5.5V的邏輯電源引腳使得與數(shù)字組件方便連接,用3.3V或5V電源時(shí),仍然能保持TIA/EIA兼容的RS485信號(hào)。LTM2881還提供小電流停機(jī)模式,從而當(dāng)不需要通信時(shí),僅吸取不到5μA的電流。

          這些新器件可構(gòu)成能提供連續(xù)通信的堅(jiān)固解決方案,甚至能承受高于30kV/μs的瞬態(tài)事件。LTM2881提供了低EMI解決方案,具6pF的標(biāo)稱(chēng)勢(shì)壘電容,而且如果遵循了良好的布局實(shí)踐,還能滿(mǎn)足EN 55022/CISPR 22 B類(lèi)輻射要求,這些新器件還有RS232和數(shù)字邏輯隔離器版本。

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