Stromversorgungen für medizinische Anwendungen

Sie sind klein und zumeist unsichtbar verbaut. Unbedeutend sind sie jedoch nicht, denn wenn sie nicht zuverlässig arbeiten, gerät unser Alltag schnell ins Stocken. In der Medizintechnik wäre das fatal. Die Rede ist von Schaltnetzteilen, die gerade auch in der Medizintechnik eine bedeutende Rolle spielen. Gefragt sind üblicherweise geringe Stückzahlen, dafür mit deutlich strengeren Anforderungen im Vergleich zur Industrie. Kein Problem für die inpotron Schaltnetzteile GmbH, die abseits vom Massen-markt nach Kundenwunsch elektronische Stromversorgungen konzipiert und fertigt ‑ auch oder gerade für höchste Ansprüche wie in der Medizintechnik.

Eine zuverlässige Stromversorgung bildet also das Rückgrat eines jeden medizinischen Gerätes. Insbesondere Systemhersteller wollen sich hier nicht auf ein Standardnetzteil verlassen müssen. Sie setzen deshalb auf die von den erfahrenen Spezialisten entwickelten Netzteile. Am Beispiel einer Monitoranwendung erläutern wir die wichtigsten Aspekte.

Stromversorgungslösungen für medizinische Monitoranwendungen in Patientenumgebung erfordern nicht nur die Einhaltung der IEC 60601-1, sondern neben einer hohen Zuverlässigkeit auch eine entsprechende Lebensdauer, sowie die systemrelevante Einhaltung der elektrischen Parameter. Diese Anforderungen sind insbesondere anspruchsvoll, wenn die Versorgung sowohl über die Netzspannung, als auch über eine batteriegepufferte Notversorgung erfolgt.

Zur Erfüllung eines 2xMOPP Ratings nach dem IEC-Standard 60601 werden heute häufig vorgeschaltete AC/DC Netzteile und ein DC/DC Wandler kombiniert. Die Sicherstellung der Patientensicherheit ist in Kombination der Trennstellen zu gewährleisten. Luft- und Kriechstrecken, wie auch Ableitstrom und Isolationsvorgaben und Prüfspannungen ergeben sich aus der Norm.

Erstrecken sich darüber hinaus die Anforderungen auf eine marktfähige, kosteneffektive und technologisch im Benchmark Bereich definierte Versorgungslösung für das System, so ist eine kundenspezifische Lösung hierfür unausweichlich. Ab einer Bedarfsmenge von 1000 Stück pro Jahr ist dies der technologisch und kommerziell sinnvollste Ansatz für eine optimierte medizinische Stromversorgung.

Im hiesigen Beispiel benötigte der Kunde zur Speisung seines Patienten-Monitorsystems einen DC/DC Wandler, der sowohl aus einem AC/DC Netzteile, als auch aus einer Batterie heraus versorgt werden kann. Die Besonderheiten der Anforderungen sind:

Der Beginn aller Betrachtungen für eine hohe Zuverlässigkeit ist die Vermeidung von Verlusten, dies galt auch bei diesem Projekt. Unter den gegeben räumlichen Bedingungen, mit wenig natürlicher Konvektion, sind nicht mehr als 7,0 W Verluste akzeptabel. Die Effizienz von mindestens 93 % also unerlässlich. Im mittleren Lastbereich und nominaler Uin ‑der übliche Anwendungsfall- sollte das Maximum erzielt werden.

Um noch dazu eine hohe Überbrückungszeit bei Netzunterbruch zu erzielen, war ein Konzept erforderlich, das einen weiten Uin-Bereich von 1:4 abdeckt, zudem platzsparend, kosteneffizient und mit minimalen Verlusten umsetzbar ist. Letztendlich kam das Konzept eines Flybacks mit Synchrongleichrichtung zum Einsatz, der mit einem idealen Wickelaufbau im Überträger, mit der Ansteuerung der Leistungshalbleiter und bei der Komponentenauswahl eine Benchmark Lösung hervorbrachte, die mit anderen Konzepten – unter den gegebenen Vorgaben – so nicht umsetzbar war.

Der aktive Verpolschutz bis ‑50 V, ein zusätzlicher aktiver inrush-current-Schutz, die redundante Limited Power Source Messanordnung, die Zusatzbeschaltung für dynamisches Herunterlaufen der Ausgangsspannung bei Minimallast und Leerlauf sowie die Uin – Abschaltung < 15 V zur Minimierung des Eingangstroms auf < 50 uA sind allesamt nicht ohne Leistungsverbrauch umsetzbar und belasteten somit die Verlustleistungsbilanz mit ca. 2-3 % des Gesamtwirkungsgrades.

Der 5V stby Ausgang dient dazu, die Anwendung in einem sleep-Modus aufrecht zu halten. Dies ist durchaus üblich und weit verbreitet. Der zulässige Leistungsverbrauch des DC-DC Wandlers von max. 29 mW stellte hierbei jedoch schon eine besondere Herausforderung dar. Auch die Wirkungsgradforderung bei einer Belastung von 200 mW mit >80 % ist für einen galvanisch trennenden Wandler nicht einfach umsetzbar.

Zuvor genannt sind viele Faktoren, die mit standardisierten Katalog-Produkten unmöglich zu realisieren sind. Letztendlich wird über den hohen Wirkungsgrad die Grundlage geschaffen, eine gleichfalls hohe Zuverlässigkeit wie Lebensdauer zu realisieren. Die Verwendung lebensdauerbestimmender Elektrolytkondensatoren mit einer Life-Time von 10.000h @ 105 °C ergibt nach dem Arrhenius-Gesetz für eine Worst-Case Betrachtung bei Tu = 70 °C und Volllast folgende, ausreichend genaue Berechnung:

Die max. Strombelastbarkeit der Kondensatoren gemäß Datenblatt für 105 °C wird unterschritten. Die sich ergebenen Reserven sind beruhigend, da die in der Berechnung befindliche Eigenerwärmung bereits in den Datenblattwerten berücksichtigt ist.

Zur Vermeidung eines Brandschutzgehäuses für das System und trotzdem höchster Leistungsverfügbarkeit wurde das Stromversorgungsprodukt möglichst nah an der Grenze der Limited Power Source NEC-CLASS 2 von 100W und 8A ausgelegt, ohne zusätzlichen Abgleich und der Anforderung die Verlustleistung möglichst gering zu halten. Mit redundanter Absicherung und Präzisionsverstärkern ließ sich dies auch hier umsetzen.

Durch ein idealisiertes Layout und minimale Filterkomponenten konnten die EMV-Kriterien zur Einhaltung der Störaussendung, trotz hoher Flankensteilheit – zur Minimierung der Verluste – mit ausreichend Abstand zum Grenzwert beherrscht werden.

Letztendlich eine Lösung, die den Kundenwunsch zu 100 % in einen perfekten Nutzen umsetzen konnte. Ein medizinischer DC/DC-Wandler, in dem mehr steckt als nur Strom und Spannung.