医疗设备设计的基本电源考虑因素
日期：2025-05-19
在医疗应用中，电源的选择不仅对设备的功能至关重要，而且对患者的安全也至关重要。
作者：XP Power高级产品经理Andrew Bryars
本文探讨了在为医疗应用选择电源时必须考虑的各种因素，从电压和电流规格的基本要求到日常使用模式等更细微的方面等等。
电压、电流和效率
尽管确保电压和电流规格适合预期的医疗应用很重要，但必须注意输入电压范围，其中低端由需要低至80VAC运行的生命支持设备和需要85VAC运行的非生命支持设备的类别决定。
通过设备设计的迭代，产品通常变得更小、更便携。因此，对小型电源的需求正在增加。然而，尺寸的减小给电源设计人员带来了挑战，因为效率不能妥协。当这种情况发生时，在不移动空气的情况下，从减少的体积中有效地去除废热变得越来越困难。
医疗设备的关键性质及其预期用途突显了电磁干扰抗扰度和发射的重要性。电源的辐射不得干扰电路的其他部分，特别是控制电路。同样，电源的工作状态不应受到应用内产生的任何电噪声的影响。设计人员还应确保输出噪声和纹波足够低，不会影响可能产生错误触发或读数的敏感电路。
冷却选项和噪音考虑
从机械的角度来看，管理热路径至关重要。许多工程师认识到电解电容器（e-cap）的寿命是电源的基本可靠性因素，因为电解质性质的变化会受到热量的影响而影响其价值。根据电子封装的质量，设计寿命可能会有很大差异。根据经验，工作温度每降低10°C，电子包的寿命就会加倍；例如，在105°C下额定为20000小时的电子烟在95°C下的使用寿命为40000小时，在85°C下为80000小时，相当于连续使用9年以上。
医疗设备工程师可能希望提高电源的额定值，使其不能满功率运行，从而提高可靠性。如果设计全封闭设备，选择高效电源将最大限度地减少废热，但您仍然需要将其从外壳中取出。因此，设计师必须考虑他们的冷却方案，以尽量减少电子胶囊的热量上升。
使用强制冷却电源时，气流由一体式风扇提供，从本质上讲，风扇会产生可听见的噪音。然而，医院和临床环境中由多台设备引起的过度噪音会导致患者不适，在安静的床边环境中，噪音尤其令人恼火。在实验室环境中，对于显微镜细胞发现器、离心机和其他台式实验室设备等医疗测试和分析应用，操作员长期接触可能会导致疲劳和其他与压力相关的伤害。
第二种冷却方式是对流冷却。与基于风扇的电源一样，您必须为设备添加开放式通风口，以使热量逸出。根据医疗设备的类型及其运行环境，通风口可能是不理想的，因为它们会减少入口保护，使医院工作人员更难消毒和保持设备清洁。易于擦拭且不通风的表面被认为更好。另一种热机制是传导冷却，它允许完全密封的设计。
医疗安全标准和应用部分
根据设备的位置及其预期用途，即使在医院，您也不一定需要经过医学批准的电源。例如，如果设备距离患者超过两米，您可以选择标准的ITE批准的电源。然而，如果电源的直流输出连接到接触患者的应用部件，则电源必须符合60601-1标准。
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图1：医院病床通常需要符合IEC 60601-1标准的医用级电源，以防止患者和医护人员触电
应用部件（AP）有三种分类类型——B型、BF型和CF型。B型（主体）适用于未与患者电连接且可能接地的AP。B类设备包括病床、手术室灯和MRI扫描仪。BF型（浮接）设备，如超声波、恒温箱和血压监测仪，通过传感器直接连接到患者身上。手术设备具有最严格的CF型（心脏起搏）等级，因为应用部件与患者的心脏或血液电连接。
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图2: MRI扫描仪，一种B型医疗设备，设计用于诊断成像，无需与患者直接电接触
必须注意的是，您不能安全批准BF额定值的嵌入式电源，因为只有终端设备才能获得安全批准。然而，电源制造商可以将其设计为适合BF应用。对地输出必须是基本隔离的1xMOPP（患者保护手段），最大漏电流必须小于100µA。如果电源满足这些安全要求，则可用于BF型应用和非患者连接的医疗应用。
对于应用部分，您通常有一个单独的DC-DC转换器，它也可能具有1xMOPP输入到输出隔离。如果你有2xMOPP电源，那么根据应用的不同，你可能不需要DC-DC转换器；在实践中，许多应用具有隔离要求，需要由医学批准的DC-DC转换器提供额外的保护。对于有多个BF型应用部件的应用，使用多个1xMOPP DC-DC转换器可能更容易。
了解峰值功率
电源的峰值功率受到几个因素的限制。第一个是设计是否可以提供额外的输出，第二个是可能加热到故障点的组件的温度。因此，无论你采用的峰值功率是多少，它都需要在组件的热额定值范围内。另一个考虑因素是您在哪里设置当前限制。通常，您希望严格设置电流限制，但允许峰值负载的电源需要具有更宽的设置或延迟保护电路。
输出电压可能会随着峰值功率而下降，但仍必须在指定的容差范围内。对于某些应用，比如驱动直流电机来调节牙科椅的高度，您不太可能经常需要峰值功率，而且只在短时间内需要。在这种情况下，作为设备设计师，您可能有足够的余地选择额定功率稍低的电源。例如，在需要550W至600W峰值功率的应用中，您可以使用400W额定电源，但前提是电流限制设置得当，并且电子电容器等组件在峰值功率下的热额定值范围内。
结论
设计人员需要一种现成的电源解决方案，可以由监管机构成功实施和验证。包含医疗器械应用所需规格和功能的电源将反过来最大限度地降低开发成本和审批时间。具有EMC和全球医疗保健应用安全认证的低剖面、小占地面积、高效率、高密度传导或对流冷却电源，如XP power的CCP550，是一个有吸引力的选择。
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图3: CCP550系列是无风扇应用的理想选择，在这些应用中，污染、噪音、可靠性或寿命问题使冷却风扇变得不受欢迎
数据表提供了基于关键e-cap平均工作温度的使用寿命曲线。这些数据可用于根据设备的组件温度、日常使用情况和其独特冷却环境中的热任务曲线，评估产品安装在单个应用中的使用寿命。
www.xppower.com
作者：XP Power高级产品经理Andrew Bryars
本文探讨了在为医疗应用选择电源时必须考虑的各种因素，从电压和电流规格的基本要求到日常使用模式等更细微的方面等等。
电压、电流和效率
尽管确保电压和电流规格适合预期的医疗应用很重要，但必须注意输入电压范围，其中低端由需要低至80VAC运行的生命支持设备和需要85VAC运行的非生命支持设备的类别决定。
通过设备设计的迭代，产品通常变得更小、更便携。因此，对小型电源的需求正在增加。然而，尺寸的减小给电源设计人员带来了挑战，因为效率不能妥协。当这种情况发生时，在不移动空气的情况下，从减少的体积中有效地去除废热变得越来越困难。
医疗设备的关键性质及其预期用途突显了电磁干扰抗扰度和发射的重要性。电源的辐射不得干扰电路的其他部分，特别是控制电路。同样，电源的工作状态不应受到应用内产生的任何电噪声的影响。设计人员还应确保输出噪声和纹波足够低，不会影响可能产生错误触发或读数的敏感电路。
冷却选项和噪音考虑
从机械的角度来看，管理热路径至关重要。许多工程师认识到电解电容器（e-cap）的寿命是电源的基本可靠性因素，因为电解质性质的变化会受到热量的影响而影响其价值。根据电子封装的质量，设计寿命可能会有很大差异。根据经验，工作温度每降低10°C，电子包的寿命就会加倍；例如，在105°C下额定为20000小时的电子烟在95°C下的使用寿命为40000小时，在85°C下为80000小时，相当于连续使用9年以上。
医疗设备工程师可能希望提高电源的额定值，使其不能满功率运行，从而提高可靠性。如果设计全封闭设备，选择高效电源将最大限度地减少废热，但您仍然需要将其从外壳中取出。因此，设计师必须考虑他们的冷却方案，以尽量减少电子胶囊的热量上升。
使用强制冷却电源时，气流由一体式风扇提供，从本质上讲，风扇会产生可听见的噪音。然而，医院和临床环境中由多台设备引起的过度噪音会导致患者不适，在安静的床边环境中，噪音尤其令人恼火。在实验室环境中，对于显微镜细胞发现器、离心机和其他台式实验室设备等医疗测试和分析应用，操作员长期接触可能会导致疲劳和其他与压力相关的伤害。
第二种冷却方式是对流冷却。与基于风扇的电源一样，您必须为设备添加开放式通风口，以使热量逸出。根据医疗设备的类型及其运行环境，通风口可能是不理想的，因为它们会减少入口保护，使医院工作人员更难消毒和保持设备清洁。易于擦拭且不通风的表面被认为更好。另一种热机制是传导冷却，它允许完全密封的设计。
医疗安全标准和应用部分
根据设备的位置及其预期用途，即使在医院，您也不一定需要经过医学批准的电源。例如，如果设备距离患者超过两米，您可以选择标准的ITE批准的电源。然而，如果电源的直流输出连接到接触患者的应用部件，则电源必须符合60601-1标准。
图1：医院病床通常需要符合IEC 60601-1标准的医用级电源，以防止患者和医护人员触电
应用部件（AP）有三种分类类型——B型、BF型和CF型。B型（主体）适用于未与患者电连接且可能接地的AP。B类设备包括病床、手术室灯和MRI扫描仪。BF型（浮接）设备，如超声波、恒温箱和血压监测仪，通过传感器直接连接到患者身上。手术设备具有最严格的CF型（心脏起搏）等级，因为应用部件与患者的心脏或血液电连接。
图2: MRI扫描仪，一种B型医疗设备，设计用于诊断成像，无需与患者直接电接触
必须注意的是，您不能安全批准BF额定值的嵌入式电源，因为只有终端设备才能获得安全批准。然而，电源制造商可以将其设计为适合BF应用。对地输出必须是基本隔离的1xMOPP（患者保护手段），最大漏电流必须小于100µA。如果电源满足这些安全要求，则可用于BF型应用和非患者连接的医疗应用。
对于应用部分，您通常有一个单独的DC-DC转换器，它也可能具有1xMOPP输入到输出隔离。如果你有2xMOPP电源，那么根据应用的不同，你可能不需要DC-DC转换器；在实践中，许多应用具有隔离要求，需要由医学批准的DC-DC转换器提供额外的保护。对于有多个BF型应用部件的应用，使用多个1xMOPP DC-DC转换器可能更容易。
了解峰值功率
电源的峰值功率受到几个因素的限制。第一个是设计是否可以提供额外的输出，第二个是可能加热到故障点的组件的温度。因此，无论你采用的峰值功率是多少，它都需要在组件的热额定值范围内。另一个考虑因素是您在哪里设置当前限制。通常，您希望严格设置电流限制，但允许峰值负载的电源需要具有更宽的设置或延迟保护电路。
输出电压可能会随着峰值功率而下降，但仍必须在指定的容差范围内。对于某些应用，比如驱动直流电机来调节牙科椅的高度，您不太可能经常需要峰值功率，而且只在短时间内需要。在这种情况下，作为设备设计师，您可能有足够的余地选择额定功率稍低的电源。例如，在需要550W至600W峰值功率的应用中，您可以使用400W额定电源，但前提是电流限制设置得当，并且电子电容器等组件在峰值功率下的热额定值范围内。
结论
设计人员需要一种现成的电源解决方案，可以由监管机构成功实施和验证。包含医疗器械应用所需规格和功能的电源将反过来最大限度地降低开发成本和审批时间。具有EMC和全球医疗保健应用安全认证的低剖面、小占地面积、高效率、高密度传导或对流冷却电源，如XP power的CCP550，是一个有吸引力的选择。
图3: CCP550系列是无风扇应用的理想选择，在这些应用中，污染、噪音、可靠性或寿命问题使冷却风扇变得不受欢迎
数据表提供了基于关键e-cap平均工作温度的使用寿命曲线。这些数据可用于根据设备的组件温度、日常使用情况和其独特冷却环境中的热任务曲线，评估产品安装在单个应用中的使用寿命。
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