用于醫療電子設備的增強型技術(shù)突破

病人和醫護人員的安全是醫療電子設備的重中之重，然而電子設備的效率等其他因素也至關(guān)重要。安全和效率這兩個(gè)因素對DC/DC電源技術(shù)提出了相互沖突的需求。醫療級增強型隔離所需的更高的隔離間隙和爬電距離會(huì )導致變壓器的磁場(chǎng)無(wú)法達到最佳耦合，因此傳統的設計會(huì )失去寶貴的效率。RECOM工程師開(kāi)發(fā)了一種可以規避這種不足的新變壓器概念。最近推出的“Re3-inforced”轉換器具有高達6W的額定功率，與傳統轉換器相比，可提供顯著(zhù)提高的隔離電壓等級和效率。

　　對于工業(yè)產(chǎn)品中的應用，工業(yè)級隔離通常就足夠了。在這些應用中，變壓器的初級和次級繞組互相重疊纏繞。因此內部磁場(chǎng)呈現理想的疊加狀態(tài)——這是實(shí)現高轉換效率所必需的特性。然而，這種設計會(huì )降低安全性，因為兩個(gè)繞組僅通過(guò)各自的漆包線(xiàn)漆膜進(jìn)行隔離。在理想狀況下，漆膜可以輕松地承受幾千伏的測試電壓。但是制造過(guò)程中產(chǎn)生的損壞或者由于老化引起的損壞最終會(huì )導致初級繞組和次級繞組之間發(fā)生短路。這類(lèi)故障在工業(yè)電子領(lǐng)域會(huì )引發(fā)設備故障——而在醫療電子領(lǐng)域，這類(lèi)故障會(huì )給病人和醫護人員帶來(lái)嚴重的安全風(fēng)險。

　　UL 60601規定“增強型”隔離的限制

　　在設計用于醫療應用的設備時(shí)，開(kāi)發(fā)工程師必須熟悉IEC 60601的具體規定。各個(gè)國際標準已和針對歐洲市場(chǎng)的EN60601或針對美國市場(chǎng)的UL60601一致。這兩個(gè)國家標準在范圍上類(lèi)似，但是只有獲取美國保險商實(shí)驗所（Underwriters Laboratories）認證的部件才能貼上UL標志。

　　醫療級DC/DC轉換器的基本電氣安全要求是這些轉換器的隔離屏障能通過(guò)標準和故障電壓的測試而不失效。由于大多數醫療應用都采用干線(xiàn)供電，因此一般可接受的最小隔離電壓為持續的264VAC，這相當于持續時(shí)間為一秒的1600VDC的隔離測試電壓。除能耐受隔離測試電壓之外，UL還規定了滿(mǎn)足各種隔離等級的最小爬電距離（走線(xiàn)距離）和隔離間隙（電弧距離）。圖2摘自標準中發(fā)布的表。需要注意的是，該表中規定的電壓為標準情況輸入電壓，而不是最差故障情況隔離電壓。

　　隔離電壓和隔離等級的區別往往容易造成混淆。采用24VDC供電的醫療級DC/DC轉換器必須能夠耐受至少1600VDC/1秒的隔離測試電壓，但是0.5mm的隔離間隙和1mm的爬電距離已經(jīng)足夠滿(mǎn)足標準的要求。隔離等級的選擇在于用戶(hù)。

　　圖2：此表顯示UL規定的與輸入電壓對應的隔離間隙和爬電距離值。增強隔離的值約比基本隔離值高三倍。
更高的隔離間隙會(huì )降低變壓器效率

　　鑒于醫療應用需關(guān)注病人和醫護人員的安全，因此通常需要最高的隔離等級（增強型）。增強型隔離變壓器的初級和次級繞組具有物理隔離，并且纏繞在絕緣鐵芯對應的半邊上。這使得變壓器能夠滿(mǎn)足更嚴格的內部間隙和爬電隔離要求，但卻產(chǎn)生了一些不利的負面影響。其一是，增強型隔離變壓器往往尺寸更大，這與與日俱增的小型化趨勢背道而馳。由于繞組和鐵芯之間的隔離增加，電磁性能也受到了影響，這會(huì )降低功率轉換效率，影響最高工作溫度。實(shí)際的例子包括：具有緊密纏繞的繞組的工業(yè)級隔離轉換器的效率一般能達到85%，而采用傳統變壓器結構設計的增強型隔離的轉換器的效率僅能達到75%的水平。由于較低的效率而增加的能耗可能不是非常大，但是效率更低的變壓器會(huì )耗散60%的熱（以發(fā)熱形式失去的能量高達25%，而不是15%）。對于發(fā)熱高的變壓器，允許的最高環(huán)境溫度+85°C需降低到+70°C左右。

　　RECOM的增強型技術(shù)突破

　　RECOM開(kāi)發(fā)部工程師成功地發(fā)明了一種線(xiàn)圈繞組，這種繞組可以實(shí)現線(xiàn)圈繞組接近理想的布局，同時(shí)能滿(mǎn)足UL對增強間隙和爬電規定的嚴格要求。這種經(jīng)過(guò)特別設計的變壓器鐵芯和新型絕緣材料可確保更高的隔離電壓、更高的效率、更高的額定功率和更高的工作溫度。繞組電容被降低到1.5pF至20pF的范圍內，具體取決于不同的類(lèi)型。這可以保證醫療設備還要求的極低漏電流。這個(gè)新概念的名稱(chēng)為“Re3-inforced”，已經(jīng)申請了專(zhuān)利。

　　如圖3所示，這些新型變壓器（右下方）仍比具有工作隔離的變壓器稍大，但是由于整流器和功率晶體管等其它元器件的尺寸小，因此這些變壓器仍能充裕地適合標準外殼尺寸。這些新型轉換器還具有永久性短路和過(guò)載保護功能，還可以選擇具有過(guò)壓保護和遠程控制引腳的版本。它們具有IEC60601以及 UL60601和CSA C22.2 601-1認證，并且公認為具有增強隔離。

　　圖3：隔離電壓為10kVDC的新型REC3.5（右邊）與不適用于醫療應用的標準隔離版本的圖形比較。

范圍為1至6W的四種額定功率——價(jià)格極具吸引力

　　技術(shù)創(chuàng )新往往無(wú)法面面俱到——即使能夠面面俱到，成本往往會(huì )很高。而新型RECOM Re3-inforced系列是一個(gè)特例！這些新型轉換器的價(jià)格極具吸引力，因此使用這些轉換器還具有盈利價(jià)值。價(jià)格僅略高于具有標準隔離的轉換器，但是大幅低于同類(lèi)競爭性產(chǎn)品。

　　由于所有增強轉換器都適合傳統轉換器的標準外殼尺寸（1W和2W轉換器采用SIP7外殼，3.5W和6W轉換器采用DIP24外殼），因此能夠輕松地升級到新技術(shù)。額定功率為1W和2W的轉換器（指定型號為RXX/PXX）具有6.4kVDC和8kVDC的隔離電壓。效率約為88%，適合-40°C 至+85°C的完整工業(yè)工作溫度范圍，僅采用自然對流散熱，無(wú)需降額使用。2W的轉換器還提供具有更大尺寸的DIP24外殼的RV系列。這便于針對現代設計升級到新技術(shù)。

　　兩個(gè)采用DIP24外殼的功率更高的系列具有3.5W和6W的額定功率，可以提供8kVDC或10kVDC 的隔離。這些轉換器的額定功率比標準隔離轉換器的額定功率高20%左右，效率高達86%。此外，REC 3.5的最高環(huán)境溫度高達+85°C，同樣具有對流冷卻，無(wú)需降額使用。功能更強的REC 6在同等條件下可提供高達+ 75°C的環(huán)境溫度。允許的最高外殼溫度為+105°C。

　　圖4：1W和2 W轉換器采用SIP 7外殼，而3.5W和6W轉換器采用標準DIP24外殼。

　　三年保證

　　RECOM 是一家歐洲公司，盡管這家公司的大多數產(chǎn)品都產(chǎn)自遠東地區。開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)密切協(xié)作，并且均遵守歐洲質(zhì)量管理標準。新產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)過(guò)程中均在RECOM設于奧地利格蒙登的環(huán)境測試實(shí)驗室中經(jīng)過(guò)全面的測試。設計的高質(zhì)量和長(cháng)工作壽命與新產(chǎn)品的電氣布局同樣重要。我們對生產(chǎn)質(zhì)量和關(guān)鍵元件的測試規格實(shí)施不間斷的監測，同時(shí)用X射線(xiàn)機對隨機生產(chǎn)批次進(jìn)行測試和檢查，確保符合最初的基準質(zhì)量標準。我們認為要過(guò)濾出低質(zhì)量元器件，這種監測是必不可少的（在最近元器件短缺的形勢下，我們發(fā)現知名品牌的元器件也有質(zhì)量問(wèn)題）。借助這些檢查和控制，RECOM可以充滿(mǎn)自信地為這些新型轉換器提供三年保證?，F由所有領(lǐng)先的分銷(xiāo)商以現貨提供樣片。