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Optimización de las fuentes de alimentación médicas

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Tercera parte del artículo técnico sobre los cambios en los estándares de seguridad para electromedicina, escrito por Alfred Lorenz, FAE & Product Manager de TDK-Lambda Germany GmbH y por Andreas Glaser, Senior Marketing Manager de Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH. En este final se hablará de la forma de optimización de las fuentes de alimentación médicas.

La estricta limitación de las corrientes de fuga, en combinación con los requisitos de un alto grado de supresión de interferencia de radio, supone un gran reto para los switches de potencia, ya que los filtros EMI (siempre necesarios) pueden causar corriente de fuga.

La máxima corriente de fuga de tierra permitida se sitúa en 300 µA para la operación normal y en 500 µA si existe cualquier problema en el dispositivo final. Por lo tanto, el objetivo del diseño siempre consiste en lograr un buen balance entre la capacidad EMC y la fuga de tierra. La mejor solución reside en disminuir al máximo la interferencia electromagnética mediante un diseño inteligente, con mínimas corrientes de fuga en el filtrado. ¿Cómo se puede conseguir esto?

Las principales fuentes de interferencia electromagnética en una fuente de alimentación son las fases de conmutación de pulsos con frecuencias por encima de 100 kHz en conexión con capacitancias aisladas entre los elementos de conmutación y la tierra o entre los circuitos primarios y la salida.

Optimización de las fuentes de alimentación médicas

Los FETs (Field-Effect Transistors – Transistores de Efecto Campo) que se emplean en los actuales switches de potencia como elementos de conmutación se suelen diseñar para una conmutación rápida, con la intención de minimizar las pérdidas. Desafortunadamente, el elemento de conmutación produce mayores emisiones de interferencia con el incremento de la velocidad de cambio.

Por esta razón, las últimas fuentes de alimentación para electromedicina se diseñan específicamente con operaciones de conmutación más lentas. Poseen circuitos de conmutación espaciales que usan lo denominado zero-volt switching (ZVS) para asegurarse de que la eficiencia no se ve afectada. Los switches ZVS permiten una conmutación rápida de los transistores, pero amplían las transiciones de tensión (tiempos de subida y caída) desde los 20 ns originales a unos 100 ns, reduciendo así la cantidad de interferencia electromagnética causada. Esto significa que sólo se requiere un pequeño filtro EMC con mínimas corrientes de fuga de tierra.

Otra ventaja de zero-volt switching para la optimización de las fuentes de alimentación médicas reside en que también elimina la necesidad de usar una bobina protegida en el transformador (otra técnica que se suele utilizar para mejorar los niveles EMC). Como esta bobina apantallada ya no se requiere, se puede reducir el tamaño tanto del transformador como de la fuente de alimentación y, además, aumenta la ratio de eficiencia.

Esto define el desafío esencial para los fabricantes de switches de potencia: encontrar el término medio entre eficiencia, EMC y tamaño de componente. Para los usuarios, las soluciones escalables y, por consiguiente, las fuentes escalables suelen ser muy importantes porque se pueden adaptar a las diferentes clases de rendimiento del dispositivo final. Por ejemplo, los niveles de rendimiento se pueden incrementar significativamente mediante la utilización de un ventilador, al mismo tiempo que la unidad de alimentación mantiene la misma estructura. Así, el usuario puede evitar costosas modificaciones de diseño (por ejemplo, un soporte mecánico) y obtener mayores prestaciones del mismo modelo.

Optimización de las fuentes de alimentación médicas
Modelo CUS350M – 350 W de TDK-Lambda

Un buen ejemplo de esto se observa en la nueva serie CUS-M de TDK-Lambda. El modelo CUS200M tiene una base de 76.2 x 127 mm (3 x 5 pulgadas) y una potencia de salida de 200 W con refrigeración por convección o de hasta 250 W con ventilador. También dispone de una fuente auxiliar de 5 V / 1 A en la placa. Esto posibilita el encendido y el apagado del dispositivo y permite alimentar controladores que todavía necesitan energía cuando no hay suministro eléctrico.

Una ratio de potencia de salida de 350 W con refrigeración por convección en una base de 87 x 190 mm (3.4 x 7.5 pulgadas) y una eficiencia de hasta el 94 por ciento definen a la CUS350M. Con un mínimo flujo de aire, la potencia pude alcanzar los 420 W. Esta unidad se suministra en un soporte con forma de U realizado en aluminio que ayuda a dotar del mejor efecto de ventilación posible para los componentes. Las tecnologías mencionadas anteriormente para la optimización de las fuentes de alimentación médicas amplían las opciones de extender significativamente la funcionalidad del dispositivo sin necesidad de alterar el tamaño físico. Entonces, ofrecen tensión auxiliar (5 V / 500 mA), una fuente de alimentación de 12 V / 300 mA (para, por ejemplo, un ventilador externo), conectores Sense y una señal power-good.

Todos los modelos están especialmente indicados para uso con pacientes al disponer de protección entre la entrada y la salida (2 MoPP), la entrada y la tierra (1 MoPP) y la salida y la tierra (1 MoPP) y resultan idóneos para aplicaciones BF. El consumo de energía en modo idle se encuentra por debajo de 0.5 W en todos los dispositivos.

Las nuevas fuentes de alimentación TDK-Lambda se encuentran disponibles a través de Rutronik. Los clientes también podrán encontrar otros componentes necesarios para soluciones escalables, como elementos de conversión de energía, conmutación o conexión de cargas resistivas, capacitivas o inductivas en Rutronik POWER, que suministra sistemas completos con los que los fabricantes de dispositivos médicos pueden reducir considerablemente el tiempo de llegada al mercado.

Los expertos de Rutronik POWER (de varias divisiones) trabajan estrechamente con el objetivo de simplificar y acelerar el desarrollo para cualquier optimización de las fuentes de alimentación médicas, incluso las aplicaciones más complejas. La gama completa de productos ofrece una selección de componentes que cubre prácticamente cualquier posición en la PCB y, por ende, permite encontrar soluciones específicas para cada proyecto, siempre teniendo en cuenta todas las interacciones entre los componentes individuales y las condiciones ambientales.

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