DC/DC-Wandler Gleichstromwandler mit hoher Isolation für medizinische Geräte

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In medizinischen Stromversorgungen mit Patientenkontakt kommen DC/DC-Wandler mit zum Einsatz. Mit durchdachtem Schaltungsdesign und Packaging lässt sich ein kompakter Wandler bauen.

In der medizinischen und häuslichen Pflege wird zunehmend elektronische Ausrüstung eingesetzt. Für einen Produktdesigner bedeutet das, die elektrischen Sicherheitsnormen einzuhalten. Das ist die IEC 60601-1:2005 sowie die nationalen Varianten, einschließlich EN 60601-1:2006 in Europa. Die Anforderungen für eine AC/DC-Stromversorgung enthalten zahlreiche Empfehlungen hinsichtlich der Anwendung der aktuellsten Sicherheitsstandards mit Bezug zu den Schutzmaßnahmen (MOPs) für Bediener und Patienten.

Sinnvoll wäre es, eine Stromversorgung mit dem höchsten Sicherheitsniveau zu spezifizieren. Das wären zwei Measures of Patient Protection (MOPPs) für die maximal angegebene Versorgungsspannung sowie geringere Ableitströme als jene, die für den engen Patientenkontakt vorgegeben sind – Typ CF (Cardiac Floating), bei dem eine elektrische Verbindung zu den inneren Organen zur Überwachung oder Stimulation vorgesehen ist.

Preiswerterer AC/DC-Wandler mit Anwenderschutz

Zu prüfen ist außerdem, ob bei einer batteriebetriebenen Ausrüstung die Sicherheitsnormen anwendbar sind. Es gibt jedoch Situationen, bei denen ein komplett zertifiziertes AC/DC-Netzteil alleine unzureichend ist, aber in anderen Fällen die Norm gleichsam übererfüllt. Zudem gibt es Beispiele, bei denen eine batteriebetriebene Ausrüstung eine interne Sicherheitsisolierung erfordert.

Bei der Ausrüstung mit einer AC-Netzstromversorgung müssen mindestens zwei Isolationsmaßnahmen (2x MOOPs oder MOPPs) gegenüber dem Netzeingang vorhanden sein, je nachdem, ob die Ausrüstung in einer Anwender- oder Patienten-Umgebung eingesetzt wird.

Ausgänge mit Patientenkontakt müssen gegenüber einer Masse mit mindestens 1x MOPP isoliert sein. Damit wird verhindert, dass ein tödlicher Strom durch den Patienten zur Erde fließen kann. Ein zusätzlich isolierter DC/DC-Wandler, der den Strom für die mit dem Patienten verbundene Schaltung liefert, kann in diesem Fall helfen. Mit einer Isolation mit Medizintechnik-Rating kann ein AC/DC-Wandler trotz lediglich 1x MOOP dennoch in einer Anwendung mit Patientenverbindung verwendet werden.

Eine unspezifizierte Signalverbindung

Bei unspezifizierten Signalverbindungen wie Kommunikationsanschlüssen, egal ob mit Netz- oder Batteriebetrieb, müssen 2x MOPP zwischen den Patientenverbindungen und den Signalen vorhanden sein, falls ein externer Fehler die Signale stromführend macht. Hier kann ein separater DC/DC-Wandler eine zusätzliche Isolation bieten.

Das Bild 1 zeigt eine Beispielsituation mit einem Class I AC/DC-Netzteil mit 2x MOOP mit unspezifizierten Signaleingängen sowie einem zusätzlichen DC/DC-Wandler mit 2x MOPP, der die nötige Gesamtisolation der Signaleingänge gewährleistet. So kann ein preiswerterer AC/DC-Wandler mit Anwenderschutz für eine Situation mit Patientenverbindung verwendet werden.

Der DC/DC-Wandler liefert nur eine geringe Leistung zur Patientenverbindung, weshalb sie relativ klein und kostengünstig sind. Dank der Abmessungen ist die Koppelkapazität gering und folglich auch die Ableitströme. Für den Patienten bedeutet das einen besseren Schutz als nur mit einem AC/DC-Wandler.

DC/DC-Wandler für eine medizinische Anwendung

DC/DC-Wandler gehören zur Standardware und Hersteller bieten verschiedene Isolationsgrade mit oder ohne behördliche Zertifizierung. Ein Entwickler sollte bedenken, dass eine hohe angegebene Spannungsfestigkeit häufig ein Indiz für ein Standardbauelement mit Transienten-Immunität ist. Ohne spezifische behördliche Zertifizierung gemäß den relevanten Normen kann das Produkt nicht als Sicherheitsbarriere eingesetzt werden.

Für eine medizinische Anwendung sollte das Datenblatt des DC/DC-Wandlers die Anzahl der Schutzmaßnahmen angeben, entweder MOOP oder MOPP, sowie eine Systemspannung spezifizieren, typischerweise 250 V_AC.

Ein DC/DC-Wandler kann eine rechtmäßige Zertifizierung für 2x MOPP haben, dann aber beispielsweise nur für 30 V_AC. Somit ist der Wandler bei AC-Netzspannung gefährlich für das Systems. Ein DC/DC-Wandler für Medizintechnik ist kein alltägliches Bauteil, da die hohe Isolation innerhalb des Bauelements schwierig zu erreichen ist. Die Normen verlangen ausreichend festes Isolationsmaterial oder einen großen Abstand zwischen Eingang und Ausgang. Im Fall der Zertifizierung für 2x MOPP/250 V_AC sind das eine Kriechstrecke von 8 mm, was die interne Konstruktion erschwert.

Im Detail: Ein Gleichstrom-Wandler mit hoher Isolation

Ein DC/DC-Wandler mit hohem Isolationsmaß für die Medizintechnik ist der von Recom vorgestellte Baustein R05CT05S (Bild 2). Er bietet eine Leistung von 0,5 W sowie eine Nenneingangsspannung von 5 V und wahlweise eine Ausgangsspannung von 3,3 oder 5 V sowie alternativ 3,7 oder 5,4 V als Eingangsspannung für Low-Drop-Linearregler (LDOs).

Der Wandler selbst befindet sich in einem SMD-Gehäuse mit den Maßen 10,3 mm x 7,7 mm und einer Höhe von 2,65 mm. Für medizinische Anwendungen bietet der Baustein 2x MOPP/250 V_AC für Dauerbetrieb gemäß
IEC/EN 60601-1 mit einer Prüfspannung von 5 kV_AC.

Seine Koppelkapazität beträgt 3,5 pF, sodass Ableitströme bei Anwendungen mit 250 V_AC/50 Hz zu vernachlässigen sind. Für nichtmedizinische Anwendungen bietet er eine verstärkte Isolation bei 800 V_AC Arbeitsspannung gemäß EN 62368-1. Die Betriebstemperatur beträgt mit Derating 140 °C.

Enable-, Sync- und Trim-Funktionen

Neben UVLO verfügt das Bauteil über Enable-, Sync- und Trim-Funktionen. Das Gehäuse ist funktional mit hoher Isolations-Klassifikation. Ein herkömmlicher Ringkernwandler erfüllte nicht die Isolationsanforderungen und ein diskreter Ferritkern mit Spule wäre zu groß. Die Schaltfrequenz des Bausteins wurde auf 8 MHz erhöht. Deshalb sind weniger Windungen notwendig und es genügt ein kleiner Transformatorkern.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 1/2 / 2021 (Download PDF)

Zudem ist eine feste Isolierung zwischen den Wicklungen integriert, um die medizinischen Anforderungen zu erfüllen. Das verbesserte Schaltungsdesign nutzt einen eingebetteten Chip (Embedded Die), um auch bei der hohen Schaltfrequenz einen guten Wirkungsgrad zu erhalten.

* Matthew Dauterive arbeitet als DC/DC-Product-Manager bei Recom.

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