УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЕМ В МЕДИЦИНСКИХ ПРИБОРАХ

06.03.2023 |

Бытовые медицинские приборы
Стремительное старение населения, развитие экономики передовых стран, появление новых инновационных направлений в области медицины значительно расширили возможности современных медицинских приборов, применяемых в домашних условиях. К преимуществам домашних медицинских приборов относится возможность быстрого измерения необходимого медицинского параметра непосредственно пациентом без обращения к врачу и гибкость в принятии решения в лечении по результатам измерения. Примерами таких приборов являются бытовые тонометры, глюкометры, измерители частоты сердечного ритма, оксигемометры и др. Как правило, все эти приборы в портативном исполнении и имеют батарейное питание. Чем меньше их потребление, тем дольше эти приборы можно использовать без замены или подзарядки аккумуляторных батарей. Устройства управления электропитанием домашних медицинских приборов существенно влияют на их стоимость. На рис. 1 приведена схема управления электропитанием на основе перезаряжаемого литий-ионного аккумулятора (Li-Ion Battery).

Рис.1. Типовая схема управления электропитанием домашнего медицинского прибора

Как следует из этой схемы, электропитание ряда ее узлов может быть отключено с помощью ключа (Мощный ключ) ADP190, в то время как другие узлы, а именно стабилизатор (LDO) ADP160, который используется для питания часов реального времени (RTC), и сама ИМС часов реального времени всегда остаются в рабочем состоянии, т.е. с подключенным (Power-on) питанием. Ключ ADP190 потребляет не более 2 мкА во включенном состоянии, а стабилизатор ADP160 в ненагруженном режиме имеет потребление не более 560 нА, что позволяет свести к минимуму ток разряда аккумуляторной батареи.
ИМС ADP2140 – повышающий импульсный стабилизатор (buck switching regulator), совмещенный с линейным стабилизатором, что позволяет снизить стоимость этих узлов и уменьшить занимаемую ИМС площадь на печатной плате по сравнению с аналогами, выполненными на разных кристаллах. Кроме того, в составе схемы управления питанием, рис. 1, имеется зарядное устройство (Charger) ADP5065 для подзарядки аккумуляторной батареи. ИМС ADP5065 может быть подключена к портам USB 2.0 или USB 3.0 и обеспечивает подзарядку аккумуляторной батареи через мини-USB разъем. Некоторые бытовые медицинские приборы, процесс измерения в которых происходит за короткий интервал времени, используют обычные батареи без подзарядки, что снижает вес, уменьшает размеры и стоимость прибора в целом. К таким приборам, например, относятся портативные глюкометры или оксигемометры. Недостатком использования обычной батарейки как в медицинском, так и другом портативном приборе, является невысокий уровень напряжения батарейки, который находится в пределах от 0.8 до 1.5 В. Для обеспечения эффективной работы вторичного источника питания этот уровень повышается с помощью стабилизатора напряжения, например, типа ADP1607, до напряжения 3.3 В, как показано на схеме, рис. 2.

Рис. 2. Источник питания портативного медицинского прибора с первичным источником питания в виде обычной батарейки

Медицинские приборы, используемые
в клиниках или поликлиниках

Такие приборы, как правило, являются стационарными устройствами. Они имеют большое потребление, не сравнимое с потреблением портативных бытовых приборов. Поэтому эффективность управления электропитанием в таких устройствах не так важна, как в портативных. В то же время, для стационарных приборов важным параметром является уровень излучаемых ими помех, величина которых влияет на точность измерений. Это значит, что применяемые в них импульсные стабилизаторы должны иметь малый уровень излучаемых электромагнитных помех. Как правило, в стационарных медицинских приборах, которые питаются от сети переменного тока, используются ac/dc-преобразователи, которые формируют необходимые уровни постоянного напряжения для узлов и компонентов таких приборов. На рис. 3 приведена схема ИМС ADP5050, представляющая собой устройство управления электропитанием (power management unit – PMU), которое формирует напряжение постоянного тока 1.2 В.
Схема содержит четыре импульсных стабилизатора напряжения и один линейный стабилизатор. Частоты коммутации каждого импульсного стабилизатора синхронизированы между собой и имеют некоторый сдвиг по фазе друг относительно друга для уменьшения уровня излучаемых помех, что позволяет уменьшить параметры конденсаторов в фильтрах на выходе стабилизаторов, а, следовательно, и размеры этих конденсаторов.

Рис. 3. Микромощное устройство управления
электропитанием с программированием
параметров по шине I2C

Отметим, что если для двух импульсных стабилизаторов в этой ИМС использовать частоту коммутации вдвое меньшую, чем для двух других стабилизаторов, то это даст возможность обеспечить гарантируемо низкий уровень излучаемых помех. При этом для более высоких выходных напряжений желательно использовать более низкую частоту коммутации импульсных стабилизаторов, а для более низких выходных напряжений – более высокую частоту коммутации. Это позволит обеспечить высокий КПД источника питания в целом. Интерфейс I2C позволяет программировать уровни питающих напряжений, контролировать температуру кристалла ИМС, задавать сдвиг по фазе между частотами коммутации импульсных стабилизаторов, определять правильность работы ИМС по каждому каналу и управлять уровнями напряжения питания индивидуально в каждом канале.
Стационарные медицинские мониторы Используются в клиниках для непрерывного слежения за кровяным давлением, частотой сердечного ритма, частотой дыхания и другими основными медико-физиологическими параметрами пациентов. В качестве источника питания в таких мониторах, как правило, используются линейные стабилизаторы напряжения, т.к. в этом оборудовании эффективность источника питания не столь важна по сравнению с раннее рассмотренными устройствами. Основными требованиями к источникам питания медицинских мониторов являются малый уровень излучаемых помех, высокая степень электробезопасности и надежности. Высокая надежность важна, например, при транспортировке пациента с медицинским монитором из одной клиники в другую, т.к. отказ монитора может привести к гибели пациента. Гальваническая развязка цепей питания в таких мониторах должна соответствовать требованиям стандарта IEC 60601-1. В качестве изоляторов цифровых цепей рекомендуется использовать изоляторы, выполненные по технологии iCoupler® компании Analog Devices. Изоляторы этого типа обеспечивают электрическую прочность изоляции до 10 кВ, что соответствует требованиям стандарта IEC 60747-5-5. Технология iCoupler основана на применении пленочных развязывающих трансформаторов, как показано на рис. 4. Как видно из этого рисунка, между двумя пленочными обмотками имеется изоляционный барьер, выполненный из полиамида или другого изолирующего материала, например, окиси кремния.

Рис. 4. Две пленочные обмотки, разделенные
изоляционным слоем, обеспечивают
гальваническую развязку электрических цепей

Структурная схема устройства гальванической развязки, выполненного по технологии iCoupler, приведена на рис. 5. Как было отмечено, такая технология позволяет обеспечить гальваническую развязку как сигнальных цепей, так и цепей питания. Например, ИМС семейства ADuM540x обеспечивают развязку цепей питания с мощностью до 500 мВт. Внутренний вид ИМС, выполненной по технологии iCoupler, приведен на рис. 6.

Рис. 5. Структурная схема ИМС изоляторов
электрических цепей семейства ADuM540x

 

Медицинские приборы с
визуализацией информации
К этой группе медицинских приборов относятся ультразвуковые приборы, компьютерные и эмиссионные томографы, цифровые рентгеновские аппараты, МРТ и др. Такие приборы, как МРТ и эмиссионные томографы имеют значительное потребление. Чем выше КПД таких приборов, тем меньше будет рассеиваемая во внешнее пространство мощность. Другим важным показателем узлов электропитания в таких приборах является уровень создаваемых ими помех, т.к. генерируемые шумы и помехи по цепям питания отображаются на экране монитора такого устройства, увеличивая погрешность анализируемого изображения. Отметим, что до настоящего времени выпускаемые промышленностью серийные модули управления электропитанием в таких сложных медицинских приборах практически не находят применения. Это связано с тем, что производители этих модулей не могут гарантировать требуемый уровень генерируемых электромагнитных помех для каждого конкретного применения. Поэтому до настоящего времени устройства электропитания такой медицинской аппаратуры являются предметом собственной разработки компаний производителей данных медицинских приборов, причем устройства электропитания, как правило, разрабатываются на основе дискретных компонентов, что пока позволяет более успешно бороться с возникающими в цепях питания помехами и шумами.

Рис. 6. Внутреннее устройство ИМС
семейства ADuM540x

ВЫВОДЫ
Схемы управления электропитанием в медицинских приборах разного назначения – от портативных с батарейным питанием и до стационарных установок для диагностики различных патологических изменений в организме человека – во многом определяют точность и валидность медицинского диагноза. В домашних приборах и медицинских приборах для измерения и мониторинга основных медико-физиологических параметров человека в настоящее время используются серийные модули управления электропитанием, позволяющие повысить эффективность источника питания, снизить уровень помех, повысить уровень электробезопасности, уменьшить габариты и стоимость приборов в целом. Широкий набор модулей гальванической развязки и устройств управления электропитанием для таких устройств выпускает компания Analog Devices. В сложных диагностических установках типа УЗИ, МРТ, цифровой рентгенаппаратуре используются системы электропитания на дискретных компонентах, причем гарантируемый уровень помех и шумов источника питания обеспечивается в процессе комплексной отладки медицинского оборудования в целом.