Uso de dispositivos de GaN para reducir el tamaño de fuentes de alimentación externas de CA/CC para uso médico

Además de cumplir con las especificaciones básicas de rendimiento de la alimentación de CA/CC, las fuentes de alimentación médicas deben cumplir con los mandatos normativos para consideraciones de rendimiento menos obvias, como el aislamiento galvánico, los valores nominales de tensión, la corriente de fuga y los medios de protección (MOP). Estas normas se han establecido para garantizar que la unidad alimentada no ponga en peligro al operador ni al paciente, aunque se produzcan fallos en el suministro o la carga. Al mismo tiempo, los diseñadores de fuentes de alimentación de uso médico deben seguir mejorando la eficiencia y reduciendo el tamaño y el peso.

En este artículo se analiza el uso de fuentes externas de CA/CC en instrumentos médicos y se revisan las normas reglamentarias asociadas. A continuación, presenta productos de XP Power que los diseñadores pueden utilizar para cumplir estas normas, al tiempo que aprovechan los dispositivos de alimentación de nitruro de galio (GaN) para reducir casi a la mitad el tamaño físico de la fuente de alimentación.

Requisitos básicos de diseño de la fuente de alimentación

La selección de una fuente de alimentación de CA/CC comienza con los parámetros estándar de rendimiento de las fuentes de alimentación. El suministro debe proporcionar la tensión continua nominal y ser capaz de suministrar la corriente nominal a esa tensión para soportar la carga. Una alimentación universal debe adaptarse a una amplia gama de voltajes de entrada de CA (normalmente de 85 voltios de CA (VCA) a 264 (VCA) a frecuencias de 47 a 63 hercios (Hz).

Estos valores nominales de tensión y corriente de entrada y salida son fundamentales, pero insuficientes para definir completamente una fuente de alimentación. Otras consideraciones son:

• Atributos de rendimiento dinámico, como retardo de arranque, tiempo de subida de arranque, tiempo de retención, regulación de línea y carga, respuesta a transitorios, ondulación y ruido, y sobrecresta.
• Protección contra sobrecargas, cortocircuitos y sobretemperatura
• Mandatos de eficiencia, que dependen de la potencia de salida máxima de la fuente de alimentación y deben tener valores específicos a lo largo de la curva de carga, incluidos los puntos de plena carga, baja carga y sin carga.
• Un factor de potencia (FP) cercano a la unidad, donde el número específico de FP es función del nivel de potencia y de la norma reguladora de control.
• Compatibilidad electromagnética (CEM), que caracteriza la máxima interferencia electromagnética (EMI)/interferencia de radiofrecuencia (RFI) del suministro, así como su susceptibilidad a las descargas electrostáticas (Descarga electrostática), la energía radiada, los eventos de energía de ráfaga, las sobretensiones de línea y los campos magnéticos.
• Seguridad, que define los requisitos básicos para proteger al usuario y al equipo, incluida la tensión de aislamiento entre la entrada y la salida, la entrada a tierra y la salida a tierra.

Requisitos de las fuentes de alimentación para uso médico

Otras normas y requisitos reglamentarios complican aún más las cosas a la hora de evaluar una fuente de alimentación para aplicaciones médicas. Se refieren sobre todo a la seguridad del paciente y del operador, garantizando que la fuente de alimentación no ponga en peligro a ninguno de los dos en caso de fallo único o incluso doble.

Gran parte de la preocupación está relacionada con las corrientes de fuga o dispersión. Una tensión de línea estándar (110/230 voltios; 50 ó 60 Hz) a través del tórax, incluso durante una fracción de segundo, puede inducir una fibrilación ventricular con corrientes tan bajas como 30 miliamperios (mA). Si la corriente llega directamente al corazón, por ejemplo a través de un catéter cardíaco u otro electrodo, una corriente muy inferior a 1 mA (CA o CC) puede provocar fibrilación.

Estos son algunos umbrales estándar que se suelen citar para la corriente que atraviesa el cuerpo por contacto piel-superficie, y las cifras de peligro son mucho más bajas para el contacto interno:

• 1 mA: apenas perceptible
• 16 mA: corriente máxima que una persona de estatura media puede agarrar y «soltar».
• 20 mA: parálisis de los músculos respiratorios
• 100 mA: umbral de fibrilación ventricular
• 2 A: parada cardiaca y daños en órganos internos

Los niveles de riesgo también son función de la trayectoria del flujo de corriente a través de dos puntos de contacto con el cuerpo, como a través del pecho, o desde un brazo hasta los pies. Por eso es fundamental minimizar las corrientes de fuga que atraviesan el aislamiento dieléctrico de un transformador de aislamiento de CA.

Podría parecer que la cantidad de corriente de fuga sería insignificante con un aislamiento de calidad adecuada. Sin embargo, aunque esta fuga puede ser una corriente que se «escapa» físicamente debido a la naturaleza no perfecta del aislamiento, también puede ser el resultado de corrientes acopladas capacitivamente que pueden atravesar incluso aislamientos excepcionales.

Un modelo simplificado de transformador ideal muestra un aislamiento galvánico (óhmico) perfecto entre sus lados primario y secundario (Figura 1).

Figura 1: Un modelo básico de transformador muestra que no hay paso de corriente del primario al secundario. (Fuente de la imagen: Asociación de Fabricantes de Fuentes de Alimentación)

Con un transformador ideal, no puede fluir corriente directamente de la red de CA al producto alimentado para formar un bucle de corriente completo de vuelta a la red de CA, incluso si un fallo de un componente o del cableado proporciona una nueva ruta de corriente en el lado secundario. Sin embargo, ningún transformador es perfecto y es de esperar que se produzca una capacitancia entre bobinados primarios y secundarios (Figura 2).

Figura 2: Un modelo más realista muestra la capacitancia básica entre bobinados (C_ps1) entre los lados primario y secundario. (Fuente de la imagen: Asociación de Fabricantes de Fuentes de Alimentación)

Un modelo más sofisticado añade fuentes adicionales de capacitancia entre bobinados (Figura 3).

Figura 3: Hay otras capacitancias del transformador además del primer entrebobinado (C_ps1). (Fuente de la imagen: Asociación de Fabricantes de Fuentes de Alimentación)

Esta capacitancia no deseada permite el flujo de corriente de fuga, y su valor es función de muchas variables, como el tamaño del cableado, el patrón de bobinado y la geometría del transformador. El valor puede oscilar entre un picofaradio (pF) y algunos microfaradios (µF). Además de las fugas basadas en la capacidad del transformador, otras fuentes de capacitancias no intencionadas son las distancias en las placas de circuitos impresos (placas de ci), el aislamiento entre los semiconductores y el disipador conectado a tierra, y las parásitas entre otros componentes.

La corriente de fuga del transformador debida a la capacitancia no es el único problema que aborda la normativa sobre fuentes de alimentación médicas. La seguridad básica de la CA y el aislamiento son prioritarios. Dependiendo de los niveles de voltaje y potencia, los suministros también pueden necesitar una segunda barrera de aislamiento independiente, además de la barrera primaria (o aislamiento reforzado físicamente). El rendimiento del aislamiento también se degrada con el tiempo debido a las temperaturas extremas, la tensión debida a la alta tensión y las subidas de tensión, aunque puede seguir cumpliendo su valor nominal.

La primera capa de aislamiento suele denominarse «aislamiento básico». Un ejemplo es el aislamiento de cables. La segunda capa suele ser un gabinete aislado, como se ve en muchas fuentes de alimentación de pared y de sobremesa.

Normas y medios de protección

La principal norma que regula la electrónica médica y la seguridad es la IEC 60601-1. La edición más reciente (4^ª) amplía el enfoque en el paciente al exigir un medio de protección global (MOP) que combine uno o más «medios de protección del operador» (MOOP) y «medios de protección del paciente» (MOPP).

Las normas reguladoras también han creado clases de protección en torno a cómo se proporciona el MOOP. Se denominan Clase I y Clase II y rigen la construcción y el aislamiento de las fuentes de alimentación. Un producto de Clase I tiene un chasis conductor conectado a una toma de tierra de seguridad. Para simplificar la compatibilidad de las clavijas de pared locales, la fuente de alimentación dispone de una clavija IEC320-C14 para un cable de alimentación suministrado por el usuario con un conductor de tierra de seguridad (Figura 4, izquierda).

En cambio, las fuentes de alimentación de Clase II tienen un cable de alimentación de dos hilos con una conexión a tierra de seguridad (Figura 4, derecha). Debido a la ausencia de un chasis conectado a tierra, hay dos capas de aislamiento (o una sola capa de aislamiento reforzado) entre el usuario y los conductores internos que transportan la corriente.

Figura 4: Las unidades de Clase I (izquierda) y Clase II (derecha) tienen conexiones de línea de CA de tres hilos con toma de tierra o de dos hilos sin toma de tierra, que suelen utilizarse con receptáculos IEC estándar y cables de línea suministrados por el usuario. (Fuente de la imagen: XP Power)

El resultado es que cualquier fuente de CA/CC designada para aplicaciones médicas y certificada como Clase I o Clase II debe estar especialmente diseñada y probada según las normas pertinentes. Afortunadamente, los proveedores de fuentes de alimentación como XP Power comprenden los aspectos técnicos, de fabricación y certificación necesarios para suministrar fuentes que cumplan estas normas.

El tamaño también importa

Los requisitos técnicos y los mandatos normativos impuestos a los suministros de CA/CC para uso médico no tienen en cuenta el tamaño físico, aunque éste sea importante. Los suministros de gran tamaño complican la disposición operativa in situ cuando el espacio es limitado, como en una ambulancia o en un entorno clínico donde el espacio para carros móviles y escritorios es limitado.

Reducir el tamaño de la alimentación de CA/CC sería beneficioso en estas situaciones, pero es todo un reto. Las dimensiones mínimas de suministro están limitadas por la necesidad de cumplir las directrices normativas sobre aislamiento, fuga y espacio libre.

Otro problema de la reducción de la alimentación es la disipación térmica. Si el volumen y la superficie del envase son insuficientes, la temperatura interna será superior a la de un envase más grande, lo que degradará los componentes internos activos, pasivos y aislantes. La refrigeración por aire forzado es inaceptable debido a las posibles obstrucciones del flujo de aire, los problemas de fiabilidad a largo plazo y el ruido ambiental añadido.

Además, el calor generado puede hacer que la temperatura de la superficie de la caja de alimentación aumente por encima de lo aceptable, poniendo en peligro a pacientes y operarios. La clave para reducir los suministros es utilizar componentes de conmutación de circuitos adecuados para minimizar el calor generado.

Aquí es donde los dispositivos de conmutación basados en GaN ofrecen claras ventajas sobre el silicio (Si). Su menor resistencia en serie, tiempos de conmutación más rápidos y menor carga de recuperación inversa reducen las pérdidas, lo que se traduce en una fuente de conmutación más eficiente, fría y compacta.

Un ejemplo es el AQM200PS19 de XP-Power, miembro de la serie AQM. La alimentación está preparada para funcionar a 19 voltios/10.6 amperios (A) Clase I. La unidad mide aproximadamente 167 × 54 × 33 milímetros (mm), la mitad que una fuente tradicional de estas características, y pesa sólo 600 gramos (g) (Figura 5).

Figura 5: El AQM200PS19 es una unidad de 200 vatios de Clase I que suministra 19 voltios a un máximo de 10.6 A con una eficiencia del 92%. (Fuente de la imagen: XP Power)

Esta fuente de alimentación externa está totalmente homologada según las normas médicas internacionales. Los parámetros eléctricos incluyen una corriente de fuga del paciente inferior a 100 microamperios (µA), una eficiencia típica del 92%, un consumo de energía en modo de espera inferior a 0.15 vatios y un FP >0.9.

Disponible en versiones de Clase I y Clase II, la alimentación está preparada para funcionar entre 0° y 60 °C. Incluye un gabinete/recinto totalmente sellado que cumple la clasificación IP22, y su acabado de superficie lisa facilita la limpieza en entornos médicos.

Para sistemas de mayor potencia, XP Power dispone del AQM300PS48-C2, una unidad de 300 vatios, Clase II, con una potencia de salida de 48 voltios/6,25 A y un consumo en modo de espera inferior a 0.5 vatios. Aunque un poco más grande, esta fuente sigue siendo compacta, con sólo 183 × 85 × 35 mm y 1,050 g de peso.

Con una potencia de 250 vatios, XP Power ofrece la AQM250PS24, una fuente de alimentación de 24 voltios/10.4 A, Clase 1, con un consumo en modo de espera inferior a 0.15 vatios. Mide 172 × 67.1 × 32 mm.

Conclusión

Las fuentes de alimentación de CA/CC externas y autónomas para equipos médicos deben cumplir estrictos requisitos normativos, operativos, de rendimiento, seguridad y eficiencia. La serie AQM de fuentes de alimentación externas con clasificación médica de XP Power las supera utilizando dispositivos GaN, lo que da como resultado un paquete general con la mitad del tamaño de una unidad Si clásica.

Fuente: https://www.digikey.es/es/articles/use-gan-devices-to-shrink-external-medical-ac-dc-power-supplies