반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

글/ 개리 보콕(Gary Bocock), XP Power 기술 담당 이사

환자 연결 애플리케이션을 위한 의료 장비 내의 전원 시스템은 두 가지 접근 방식을 통해 구현된다. 환자와 접촉하는 장비의 일부를 '적용된 부품'이라고 한다. 적용된 부품은 전체 장치가 기능을 수행하도록 하기 위해 의도적으로 환자와 직접 접촉하는 의료 장치의 부품으로 정의된다. 이는 환자와 접촉할 수 있는 부위에도 적용된다.

적용된 부품은 환자와 접촉하는 유형 및 의료 장치의 유형 또는 특성에 따라 60601-1 표준 제품군에 분류된다. 60601-1의 최신판은 2005년 12월에 처음 출판된 제3판이다. 이 표준은 세계 주요 국가 및 지역에서 채택되었으며 다음과 같은 최신 버전으로 발행되었다:

 · IEC 60601-1:2005 (Third Edition) + CORR. 1:2006 + CORR. 2:2007 + A1:2012
 · 유럽: EN 60601-1:2006/A1:2013/A12:2014
 · 미국: ANSI/AAMI ES60601-1: A1:2012, C1:2009/(R)2012 and A2:2010/(R)2012
 · 캐나다: CSA CAN/CSA-C22.2 No. 60601-1:14

각 분류마다 최소한의 요건에서 가장 엄격한 범주에 이르기까지 감전 방지 요구사항이 다르다. B형(Body)은 타입-B 분류로 일반적으로 전도성이 없으며 접지에 연결될 수 있는 도포 부품에 적용된다. BF(바디 플로팅) 형은 타입-BF 분류로 환자와 전기적으로 연결되어 있고 플로팅되어 있어야 하며 접지로부터 분리되어 있어야 하는 적용된 부품에 적용된다. 이 분류에는 심장과 직접 접촉하는 도포된 부분은 포함되지 않다. CF(Cardiac Floating)형은 타입-CF 분류로 직접 심장 연결에 적합한 적용 부품에 대해 제공된다(정맥 포함 환자의 심장 연결). 이 부품들은 플로팅되어 접지와 분리되어 있어야 한다.

타입-BF 및 타입-CF 의료 장치용 전원 시스템은 AC 라인 전압에서 일반적으로 1 x MOPP(환자 보호 수단)로 정격되는 보조 출력에서 접지까지의 추가적인 분리를 제공하도록 설계되었다.

250VAC 작동 전압을 기준으로 절연 테스트 전압을 측정한다.
 · MOP = Means of protection 보호수단
 · MOOP = Means of operation protection 작동보호수단
 · MOPP = Means of patient protection 환자보호수단

또한 이러한 전원 시스템은 아래 표에 정의된 대로 접지 누출 전류, 외함 누출 전류 및 특히 환자 누설 전류를 제한해야 한다.

 · NC = Normal conditions 정상상태    · SFC = Single-fault conditions 단일고장조건
^*환자 관리 장비 미국의 최대 접지 및 인클로저 누출 전류는 300μA이다.

인용된 수치는 휴대용 장비에 대한 것이다.
 · 접지 누출 전류 = 접지 도체에 흐르는 전류
 · 외함 누출 전류 = 함체에서 환자를 통해 지구로 흐르는 전류
 · 환자 누출 전류 = 적용된 부품에서 환자를 통해 접지로 흐르는 전류
 · 환자 보조 전류 = 두 개의 도포된 부품 사이의 전류

전기 연결이 필요한 환자 접촉 장비에서 전원 시스템 설계자가 해결해야 할 과제는 시스템이 정상 작동 시 누출 전류를 최소화하고 환자를 접지로부터 격리하여 고장 조건에서 보호하도록 하는 것이다. 이러한 시스템에서는 전력 시스템이 이러한 중요한 요구 사항을 충족하는 데 있어 중요한 요소이다.

의료용으로 승인된 대부분의 표준 전원 공급 장치는 환자에 직접 연결하기에 적합하지 않다. 이는 출력에서 접지로 필요한 격리 기능이 없거나 환자 누출 전류 요구 사항을 충족하지 않기 때문이다. 입력에서 출력까지 필요한 2 x MOPP와 입력에서 접지로의 1 x MOPP를 제공할 수 있지만, 대부분의 장치는 출력에서 접지로의 작동 절연을 사용한다. 종종 약 500 VAC/VDC로 평가된다. 환자 연결 애플리케이션은 필요한 테스트 전압이 1,500 VAC이고 크리피지인 메인 전압에서 최소의 기본 절연 간극 거리를 준수해야 한다. 또한 입력에서 출력까지의 격리 캐패시턴스가 너무 높아 출력에서 접지로 과도한 누설 전류가 흐를 수 있다.

저전력 시스템을 위한 간단하고 경제적인 솔루션은 의료적으로 승인된 DC/DC 컨버터 형태로 두 번째 격리 단계를 채택하는 것이다. DC/DC 컨버터는 메인 전압에서 기본적인 절연과 최소 입력 대 출력 캐패시턴스(20 – 50 pF)를 제공하여 잠재적 환자 누설 전류를 한 자리 μA로 감소시킨다. 또한 이 솔루션은 컴퓨터 또는 모니터와 같은 제어되지 않는 외부 장비에 연결될 수 있는 시스템 입력 및 출력 신호도 설명한다.

그림 1: 2차 DC/DC 절연 기능이 있는 의료용 전원 시스템

1W에서 최대 20W까지의 DC/DC 컨버터를 손쉽게 사용할 수 있으며, 필요한 입력 대 출력 절연과 매우 낮은 내부 캐패시턴스를 제공한다. 이 컨버터는 이러한 애플리케이션을 위해 특별히 경쟁력 있는 비용으로 설계되었다. 표준 의료 승인 주전원 입력 전원 공급 장치와 함께 사용하면 환자 누출 전류를 2μA까지 낮출 수 있으며, BF 및 CF 애플리케이션 모두에 사용할 수 있다. DC/DC 컨버터에 대한 공급이 조절된 AC/DC 전원 공급 장치로부터 공급되는 경우 고정 입력, 반조절 출력 장치를 사용할 수 있어 매우 비용 효율적인 솔루션이다. 넓은 범위의 입력 DC/DC 제품은 광범위한 DC 입력 및 출력 로드 범위에서 밀접하게 제어되는 출력을 제공하며, 최대 2개의 MOPP 절연 및 똑같이 낮은 내부 캐패시턴스를 갖추고 있으며, DC 입력 또는 배터리 구동 휴대용 장치에서도 쉽게 사용할 수 있다.

그림 2: XP Power의 JHL 및 JHM 시리즈

수술 장비나 모터 구동 장치와 같은 고출력 애플리케이션에서는 추가적인 격리 단계를 사용하는 것은 바람직하지 않다. 이는 전력 정격이 높은 적절한 절연 DC/DC 장치의 가용성이 저하되고 전력 이중 변환의 비효율성 때문이다. 이러한 애플리케이션에서는 필요한 격리, 간격 및 환자 누출 전류로 설계된 전원 공급이 필요한다.

이는 일반적으로 CF 애플리케이션이 아니라 BF이기 때문에 환자 누출 전류 요구사항이 덜 심각하고(10uA가 아닌 100 uA) BF 등급 애플리케이션에서 환자를 접촉할 수 있는 표준 제품이 점점 더 많이 보급되고 있다. XP Power의 새로운 250W, BF 등급, CMP250 시리즈는 절연 및 누출 전류 요구 사항이 명시된 좋은 예이다. 또한 대류 냉각(소음을 내는 시스템 팬을 제거하기 위해)과 최대 2배의 피크 전력을 제공한다(골격 셰이버, 수술 도구 및 전동식 테이블, 침대 및 의자 등 모터 구동 애플리케이션용).

그림 3: XP Power의 CMP250

이러한 높은 절연과 낮은 누설 전류의 조합은 AC/DC 공급에서 자체 설계 해결를 제시한다. 2차측 내부 간격 요구사항은 크게 증가하며, 시스템 통합을 염두에 두고 구현되어야 한다. 저배출량과 저누출 전류에 대한 요구사항이 충돌하기 때문에 저소음 토폴로지와 제품 전체에 걸쳐 차등 및 공통 모드 노이즈를 최소화하기 위한 주의가 필요한다. 동시에 기본 회로의 라인 주파수 리플을 최소화하여 동일한 입력 대 출력 캐패시턴스에 대한 환자 누출 전류를 줄일 필요가 있다.

환자 연결 의료 장비에 대한 요구 사항은 의료 기기 전원 시스템 설계자에게 어려운 일이다. 위에서 설명한 것과 같이 EMC 성능이 입증된 표준 제품 또는 적절한 정격의 제품 또는 제품 조합을 사용하면 최종 장비에 대한 최고의 가치, 최저 위험 및 가장 빠른 시장 출시 시간을 제공하여 최종 의료기기의 안전 및 EMC 준수를 단순화할 수 있다.