Escolhendo e pondo em prática o conversor CC/CC ideal para aplicações médicas

Projetar uma fonte de alimentação que funcione com a rede elétrica CA ou com a bateria é complicado. O projetista deve desenvolver uma solução que forneça tensão e corrente estáveis em cargas variáveis e, ao mesmo tempo, opere de forma eficiente para minimizar a dissipação de potência. No entanto, quando a fonte de alimentação é destinada a um produto médico, o projeto se torna mais complicado devido à compatibilidade eletromagnética (EMC), aos rígidos requisitos de segurança em relação ao contato elétrico com um paciente e à proteção contra interferência eletromagnética (EMI).

Atender a esses requisitos é caro e demorado para os projetistas que desenvolvem fontes de alimentação médicas a partir do zero. Os conversores CC/CC modulares comerciais são uma alternativa, mas é preciso ter cuidado ao selecionar e pôr em prática essas soluções.

Este artigo descreve brevemente a função de um conversor CC/CC em um circuito de fonte de alimentação e descreve os critérios de seleção e as considerações especiais exigidas para aplicações médicas. Em seguida, ele apresenta dispositivos de exemplo do XP Power e mostra um modelo de aplicação.

A função de um conversor CC/CC

Embora as baterias sejam dimensionadas com uma tensão nominal, a saída é afetada por fatores como estado de carga, demanda de pico e temperatura. Uma característica importante é que a saída de tensão diminui à medida que a bateria se descarrega. No entanto, os CIs e outros componentes sensíveis precisam de uma tensão constante para funcionar corretamente. Um conversor CC/CC oferece uma solução ao regular a tensão de entrada para fornecer uma saída (ou saídas) de tensão confiável e consistente para alimentar o produto final.

Os conversores CC/CC também são comuns em produtos alimentados pela rede elétrica. Um conversor CA/CC inicial regula a rede elétrica CA para uma tensão CC com um ou mais conversores CC/CC. Em seguida, a regulagem adicional leva essa tensão a um nível adequado para o produto final.

As topologias para conversores CC/CC podem ser lineares ou de comutação. Os reguladores lineares são dispositivos simples e robustos, mas sua eficiência diminui à medida que a diferença entre a tensão de entrada e de saída aumenta. Além disso, os reguladores lineares só podem abaixar (buck) em vez de aumentar (boost) ou inverter uma tensão. A impossibilidade de aumentar a tensão deixa o potencial das baterias inexplorado.

Os reguladores de chaveamento usam um elemento de comutação que é modulado por largura de pulso (PWM) e normalmente compreende um ou dois MOSFETs combinados com um ou dois indutores e capacitores para armazenamento e filtragem de energia. Os principais motivos pelos quais os projetistas escolhem os reguladores de chaveamento são a alta eficiência e a alta densidade de potência. Além disso, os reguladores podem aumentar, diminuir e inverter as tensões.

Os desafios para os projetistas que usam reguladores de chaveamento incluem a complexidade do projeto, o custo e possíveis problemas de EMI devido aos elementos de comutação. É possível projetar um regulador de chaveamento CC/CC a partir do zero, e essa abordagem pode economizar algum custo e espaço, mas é complexa e demorada. Uma alternativa é escolher entre a ampla variedade de módulos comerciais, como a série JMR da XP Power, que integra os elementos primários do regulador de chaveamento em um único dispositivo compacto, confiável e fácil de projetar em um produto (Figura 1).

Figura 1: Dispositivos modulares como a série JMR integram os elementos primários de um regulador de chaveamento CC/CC em um único dispositivo que é compacto, confiável e fácil de projetar. (Fonte da imagem: XP Power)

Seleção de um conversor CC/CC

Há muitos fatores a serem considerados ao escolher um conversor CC/CC. Alguns são óbvios; por exemplo, a aplicação determinará as tensões de entrada e saída e a corrente de entrada e saída. Outros são mais sutis. Por exemplo, a maximização da eficiência requer a consideração do perfil de carga típico do produto final. Além disso, o projetista deve examinar as curvas de eficiência da ficha técnica dos conversores CC/CC pré-selecionados para garantir que o produto final opere, em geral, no ponto ideal de eficiência do conversor.

O JMR1024S05 da XP Power é um bom exemplo de um conversor CC/CC para uma aplicação médica. Esse conversor é um dispositivo médico ultracompacto, montado em uma placa de circuito impresso (PCI), medindo 20,3 x 31,8 x 10,2 milímetros (mm), com condutores de furo passante de 3 mm. Ele tem uma saída de 5 V de uma entrada nominal de 24 V (mínimo de 9 V, máximo de 36 V). O módulo apresenta uma corrente de saída máxima de 2 amperes (A) e uma corrente de entrada em plena carga de 491 miliamperes (mA). A tensão de ondulação na saída é de 75 milivolts (mV) de pico a pico (p-p), e sua eficiência é de 84,9%.

O módulo apresenta um baixo consumo sem carga de 6 mA, o que aumenta a eficiência e reduz a dissipação de potência. Uma economia adicional de 3 mA no consumo de energia sem carga pode ser obtida com a inibição remota do módulo (Figura 2). O módulo estará ligado se o Pino 1 for um circuito aberto; o módulo estará desligado se o Pino 1 estiver conectado a uma fonte de corrente de 2 mA a 4 mA ou se 2,2 V a 12 V forem aplicados ao Pino 1 em relação ao Pino 2.

Figura 2: O consumo de energia sem carga do JMR1024S05 pode ser reduzido para 3 mA por meio da inibição remota do módulo. (Fonte da imagem: XP Power)

A XP Power oferece alternativas em sua linha de 10 watts. O JMR1048S12, por exemplo, opera com uma entrada nominal de 48 V (18 V a 75 V) e fornece uma saída de 12 V com uma corrente de saída máxima de 833 mA. A corrente de entrada em plena carga é de 237 mA e, ao operar nessa condição, a eficiência é de 88%.

O JMR1012D15 opera com uma entrada nominal de 12 V (4,5 V a 18 V) e fornece uma saída de ±15 V com uma corrente máxima de 333 mA. A corrente de entrada em plena carga é de 957 mA e, ao operar nessa condição, a eficiência é de 87%.

A frequência de chaveamento da série JMR de 10 watts é de 300 quilohertz (kHz).

Requisitos especiais para aplicações médicas

Os produtos médicos exigem mais de um conversor CC/CC porque os componentes elétricos usados nos produtos finais estão sujeitos à rigorosa norma de segurança médica IEC 60601-1.

De acordo com a IEC 60601-1, a "peça aplicada" é definida como o elemento do dispositivo médico que entra em contato direto com um paciente ou que tem partes que provavelmente entrarão em contato com o paciente durante o uso normal do produto. A norma define as peças aplicadas de acordo com o tipo de contato com o paciente e a natureza do dispositivo médico.

A classificação do tipo B é dada às peças aplicadas que geralmente não são condutoras e podem ser conectadas ao terra. O tipo BF (corpo flutuante) é dado às peças aplicadas que estão eletricamente conectadas ao paciente e devem estar flutuantes e separadas do aterramento. O tipo BF não cobre as peças aplicadas com contato direto com o coração. A classificação tipo CF (flutuante cardíaco) é dada a peças aplicadas adequadas para conexão direta ao coração. As peças aplicadas do tipo CF devem ser flutuantes e separadas do aterramento.

Os dispositivos médicos conectados ao paciente devem fornecer meios de proteção (MOP) para evitar que as peças aplicadas (e outras peças acessíveis) excedam os limites de tensão, corrente ou energia. Uma conexão de aterramento de proteção em conformidade fornece 1 x MOP, o isolamento básico também fornece 1 x MOP e o isolamento reforçado fornece 2 x MOP.

A MOP pode ser ainda categorizada como Meios de Proteção do Operador (MOOP) e Meios de Proteção do Paciente (MOPP). Em dispositivos destinados à conexão de pacientes, são necessários 2 x MOPP.

As fontes de alimentação para dispositivos médicos com classificações tipo BF e CF devem fornecer 2 x MOPP do primário ao secundário e 1 x MOPP do primário ao terra. O isolamento de segurança adicional de qualquer saída secundária da fonte de alimentação para o terra também deve ser classificado como 1 x MOPP para a tensão de linha CA de entrada com dimensionamento mais alto. A Tabela 1 mostra a folga de ar, a distância de fuga e as tensões de teste para isolamento básico (1 x MOP) e reforçado (2 x MOP) em aplicações MOOP e MOPP.

Tabela 1: São mostradas a folga de ar, a distância de fuga e as tensões de teste para isolação básica (1 x MOP) e reforçada (2 x MOP) em aplicações MOOP e MOPP. (Fonte da tabela: XP Power)

Além do MOP para aplicações MOOP e MOPP, a fonte de alimentação de um dispositivo médico deve ser projetada para limitar a corrente de toque, a corrente auxiliar do paciente e a corrente de fuga do paciente. Os valores máximos permitidos para a corrente de toque são 100 microamperes (μA) em condições normais e 500 μA em uma condição de falha única (SFC). Esse requisito limita efetivamente a corrente de fuga do terra do sistema a 500 μA em operação normal.

Os requisitos da corrente de toque, corrente auxiliar do paciente e corrente de fuga do paciente representam um desafio para os projetistas. Eles devem garantir que a fonte de alimentação forneça o isolamento de segurança necessário, minimizando as correntes de fuga em operação normal e a proteção em condições de falha, isolando o paciente do aterramento.

Por fim, o dispositivo médico deve estar em conformidade com os requisitos de EMC descritos na norma IEC 60601-1-2. Esses requisitos têm como objetivo melhorar a imunidade dos equipamentos em relação aos muitos dispositivos de comunicação sem fio que operam perto de equipamentos críticos para a vida. O objetivo secundário dos requisitos é fornecer orientação de EMC para equipamentos usados fora do hospital, quando tende a haver menos controle sobre o ambiente de EMC.

Uso de um conversor CC/CC como um segundo estágio de isolação

Os desafios de projeto de requisitos médicos especiais podem ser atenuados com a seleção cuidadosa de um conversor CC/CC para introduzir um segundo estágio de isolação. A adição desse estágio proporciona isolamento básico na tensão de linha CA. Também minimiza a capacitância de entrada para saída (para cerca de 20 a 50 picofarads (pF)), o que, por sua vez, reduz a corrente de fuga potencial do paciente para apenas alguns microamperes (Figura 3).

Figura 3: Um conversor CC/CC comprovado (à direita) pode ser usado para regular a tensão da peça aplicada e, ao mesmo tempo, fornecer isolamento secundário para 1 x MOPP e minimizar a corrente de fuga potencial do paciente. (Fonte da imagem: XP Power)

Por exemplo, os conversores CC/CC de 10 watts da série JMR da XP Power descritos acima apresentam aprovação da agência de segurança médica IEC60601-1, isolamento reforçado CA de 2 x MOPP de 5 quilovolts (kV), capacitância de isolamento de 17 pF e corrente de fuga do paciente de 2 μA, permitindo a fácil integração em uma ampla variedade de aplicações médicas BF e CF.

A filtragem de EMC, necessária para permitir que o produto final atenda aos requisitos da norma IEC 60601-1-2, pode ser adicionada ao circuito entre o sistema e os controles do dispositivo médico e o conversor CC/CC sem comprometer o isolamento ou as baixas correntes de fuga. A Figura 4 ilustra os circuitos de filtro EMC recomendados para surtos e transientes elétricos rápidos (EFT) e EMI Classe B.

Figura 4: São mostrados os circuitos de filtro EMC recomendados para surtos, EFT e EMI classe B para uso com os conversores CC/CC da série JMR10. (Fonte da imagem: XP Power)

A Tabela 2 mostra os valores de componentes recomendados para esses circuitos ao usar os dispositivos da série JMR10 com tensões de entrada de 12 V, 24 V e 48 V.

Tabela 2: São mostrados os valores de componentes recomendados para os circuitos mostrados na Figura 4. (Fonte da tabela: XP Power)

Conclusão

Os conversores CC/CC modulares e altamente integrados simplificam o projeto de fontes de alimentação confiáveis e de alto desempenho para sistemas médicos. Ainda assim, os projetistas devem escolher cuidadosamente um dispositivo com certificação IEC 60601-1 para garantir que ele atenda aos requisitos da norma para a segurança do operador e do paciente, bem como para a EMC.