Medical Power Supplies: AC/DC- und DC/DC-Wandler richtig auswählen
Die Stromversorgung ist ein zentraler Bestandteil medizinischer Geräte. Sie muss nicht nur zuverlässig die benötigte Leistung bereitstellen, sondern je nach Anwendung auch besondere Anforderungen an elektrische Sicherheit, Isolation, Ableitströme, EMV und thermisches Verhalten erfüllen.
Dabei stellt sich bereits auf Systemebene eine grundlegende Frage: Wird die Energie direkt aus dem Wechselstromnetz bezogen oder muss eine bereits vorhandene Gleichspannung innerhalb des Geräts weiter gewandelt werden?
Je nach Aufbau kommen deshalb AC/DC-Netzteile, DC/DC-Wandler oder eine Kombination aus beiden zum Einsatz. Welche Lösung geeignet ist, hängt weniger von einem einzelnen Kennwert als vom Zusammenspiel verschiedener technischer Anforderungen ab.
AC/DC oder DC/DC – wo liegt der Unterschied?
Ein AC/DC-Netzteil wandelt die Netzspannung in eine Gleichspannung um. Es bildet damit häufig die erste Stufe der Stromversorgung eines medizinischen Geräts.
Ein DC/DC-Wandler wird dagegen eingesetzt, wenn bereits eine Gleichspannung vorhanden ist. Er kann daraus beispielsweise eine weitere Versorgungsspannung erzeugen oder verschiedene Versorgungskreise galvanisch voneinander trennen.
Ein mögliches Versorgungskonzept sieht daher beispielsweise so aus:
AC-Netz → Medical AC/DC → DC-Zwischenspannung → Medical DC/DC → Baugruppen
Die beiden Wandler übernehmen dabei unterschiedliche Aufgaben. Der AC/DC-Teil muss insbesondere die Anforderungen an die Netztrennung und den Patientenschutz berücksichtigen. Beim DC/DC-Wandler stehen je nach Anwendung zusätzlich Isolation, Ausgangsspannung, Leistungsdichte und die Versorgung einzelner Baugruppen im Vordergrund.
Welche Rolle spielt die Isolation?
Bei medizinischen Geräten ist die galvanische Trennung ein besonders wichtiger Aspekt. Sie kann dazu beitragen, verschiedene Stromkreise voneinander zu trennen und Anforderungen an den Patientenschutz zu erfüllen.
Dabei sollte zwischen MOOP (Means of Operator Protection) und MOPP (Means of Patient Protection) unterschieden werden. Welche Schutzmaßnahmen erforderlich sind, hängt unter anderem davon ab, ob und wie ein Patient mit dem Gerät oder seinen Anwendungsteilen in Kontakt kommen kann. Mehr dazu hier.
Auch die Anzahl der erforderlichen Schutzmaßnahmen ist nicht für jedes Gerät gleich. Deshalb sollte ein Netzteil nicht allein anhand der Angabe „Medical“ ausgewählt werden.
Relevant sind unter anderem:
- Anzahl der erforderlichen MOOP/MOPP
- Isolationsspannung
- Kriech- und Luftstrecken
- Ableit- und Berührungsströme
- Anwendungsklasse des medizinischen Geräts
- Anforderungen der einschlägigen Normen
Bei den Medical-Produkten von CINCON finden sich unterschiedliche Ausführungen für diese Anforderungen. Der CHM150 ist beispielsweise ein 150-W-DC/DC-Wandler mit 5000 VAC I/O-Isolation und 2 MOPP. Damit ist er ein Beispiel dafür, wie hohe Isolationsanforderungen mit einer vergleichsweise hohen Leistungsdichte kombiniert werden können.
Ob eine solche Auslegung für ein konkretes Gerät ausreicht, muss allerdings anhand der Systemarchitektur und der geltenden Anforderungen bewertet werden.
Wie viel Leistung wird tatsächlich benötigt?
Die benötigte Leistung lässt sich zunächst relativ einfach bestimmen:
P = U × I
In der Praxis ist die maximale Leistungsaufnahme des angeschlossenen Systems jedoch nicht das einzige Kriterium.
Auch Lastspitzen, Einschaltströme, Umgebungstemperatur und die verfügbare Kühlung müssen berücksichtigt werden. Ein Netzteil, das dauerhaft nahe an seiner maximalen Leistung betrieben wird, kann thermisch anders zu bewerten sein als eine Lösung mit ausreichender Leistungsreserve.
Bei Medical AC/DC-Lösungen bietet CINCON verschiedene Leistungsklassen. Das CFM21 beispielsweise ist ein kompaktes Open-Frame-Netzteil mit einer Leistung von rund 20 W. Für höhere Anforderungen stehen unter anderem der TR70M mit 70 W oder der TR220M mit 220 W zur Verfügung.
Damit lässt sich die benötigte Leistung bereits bei der Auswahl mit dem gewünschten Versorgungskonzept verbinden:
- Open-Frame für eine interne Integration
- Desktop-Adapter für externe Versorgung
- höhere Leistung für entsprechend leistungsintensive Geräte
Die reine Nennleistung sollte dabei jedoch nie das einzige Auswahlkriterium sein.
Interne oder externe Stromversorgung?
Auch die mechanische Integration beeinflusst die Auswahl.
Ein internes Open-Frame-Netzteil wird direkt in das Gerät integriert. Das kann bei fest installierten medizinischen Geräten sinnvoll sein, bei denen die gesamte Stromversorgung innerhalb des Gehäuses untergebracht werden soll.
Ein externes Netzteil kann dagegen Vorteile bei der mechanischen Konstruktion und bei der Trennung von Netzspannung und Geräteelektronik bieten.
CINCON deckt beide Konzepte ab. Das CFM21 ist beispielsweise als Open-Frame-Lösung für die Integration in das Gerät ausgelegt. Das TR70M ist dagegen ein externes Medical Desktop-Netzteil.
Für kleinere Geräte gibt es mit dem TR15RAM außerdem eine kompakte Wall-Mount-Lösung mit austauschbaren AC-Steckern.
Welche Bauform sinnvoll ist, hängt deshalb nicht nur vom verfügbaren Platz ab. Auch Servicekonzept, Kühlung, Kabelführung und die gewünschte Systemarchitektur sollten berücksichtigt werden.
Warum der Ableitstrom relevant ist
Bei medizinischen Geräten können Ableit- und Berührungsströme eine wichtige Rolle spielen. Je nach Anwendung und Patientenkontakt gelten entsprechende Grenzwerte.
Das ist einer der Gründe, weshalb ein gewöhnliches Industrie-Netzteil nicht automatisch durch eine vermeintlich ähnliche Medical-Variante ersetzt werden kann.
Beim CFM21 beispielsweise nennt CINCON einen niedrigen Leckstrom und spezifiziert das Netzteil für Medical-Anwendungen nach den entsprechenden Anforderungen der IEC/EN/UL 60601-1.
Für die Auswahl sollte dennoch immer die konkrete Produktvariante betrachtet werden. Die Angabe eines niedrigen Leckstroms allein beantwortet nicht die Frage, ob ein Netzteil für die geplante Anwendung geeignet ist.
Wirkungsgrad und Wärmeentwicklung
Der Wirkungsgrad spielt bei medizinischen Geräten aus zwei Gründen eine Rolle: Er beeinflusst den Energieverbrauch und bestimmt gleichzeitig, wie viel Wärme innerhalb des Systems entsteht.
Bei 100 W Ausgangsleistung und 90 % Wirkungsgrad entstehen beispielsweise rund 11 W Verlustleistung.
Diese Wärme muss abgeführt werden. Bei einem kompakten, möglicherweise geschlossenen Gehäuse kann das die Konstruktion erheblich beeinflussen.
Daher sollte bei der Auswahl eines Medical Power Supply nicht nur der maximale Wirkungsgrad betrachtet werden. Ebenso relevant sind:
- Wirkungsgrad bei typischer Last
- Derating
- Umgebungstemperatur
- Kühlkonzept
- Einbausituation
- Luftzirkulation
Der TR220M von CINCON erreicht je nach Ausführung einen Wirkungsgrad von bis zu 94 %. Bei einem solchen Produkt ist die thermische Betrachtung dennoch Teil der Systemauslegung und kann nicht allein aus dem maximalen Wirkungsgrad abgeleitet werden.
Was ist bei Medical DC/DC-Wandlern anders?
Ein DC/DC-Wandler innerhalb eines medizinischen Geräts muss häufig mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllen.
Neben der eigentlichen Spannungswandlung können beispielsweise eine hohe Isolation und geringe Ableitströme gefordert sein. Gleichzeitig soll das Modul möglichst kompakt sein und wenig zusätzliche Wärme erzeugen.
Ein Beispiel dafür ist der CQM60W von CINCON. Der 60-W-DC/DC-Wandler arbeitet mit einem Eingangsspannungsbereich von 9 bis 36 VDC und ist im Quarter-Brick-Format ausgeführt.
Eine solche Lösung kann beispielsweise interessant sein, wenn aus einer vorhandenen 12- oder 24-VDC-Versorgung innerhalb des Geräts eine weitere, galvanisch getrennte Versorgung erzeugt werden soll.
Für höhere Leistungsanforderungen bietet der CHM150 eine 150-W-Lösung im Half-Brick-Format. Neben dem Leistungsbereich sind hier insbesondere die hohe I/O-Isolation und die angegebene 2x MOPP-Auslegung relevant.
Damit wird deutlich: Bei einem Medical DC/DC-Wandler sollte nicht nur die Frage „Welche Ausgangsspannung brauche ich?“ beantwortet werden. Isolation, Bauform, Eingangsspannungsbereich und die Anforderungen der jeweiligen Patientenumgebung können ebenso entscheidend sein.
BF und CF: Warum die Anwendung entscheidend ist
Bei medizinischen Geräten wird unter anderem zwischen BF- und CF-Anwendungsteilen unterschieden. Die Anforderungen an die Stromversorgung können dadurch erheblich variieren.
CF-Anwendungen stellen besonders hohe Anforderungen an den Patientenschutz. Entsprechend müssen Stromversorgung, Isolation und Ableitströme im Gesamtsystem sorgfältig betrachtet werden. Mehr zu den Sicherheitsklassen hier in unserem Blog.
CINCON bietet hierfür entsprechende Medical DC/DC-Lösungen. Beim CHM150 wird beispielsweise die Eignung für CF-Rated Medical Applications angegeben.
Das bedeutet jedoch nicht, dass ein einzelnes Netzteil automatisch die gesamte Sicherheitsanforderung eines medizinischen Geräts erfüllt. Entscheidend bleibt die Systembetrachtung: Stromversorgung, Isolationen, Anwendungsteil und weitere Komponenten müssen zusammen die erforderlichen Schutzmaßnahmen gewährleisten.
EMV: Die Stromversorgung als Teil des Gesamtsystems
Auch die elektromagnetische Verträglichkeit sollte bereits bei der Auswahl berücksichtigt werden.
Schaltende Stromversorgungen können hochfrequente Störungen erzeugen. Gleichzeitig können empfindliche medizinische Mess- und Sensorsysteme selbst auf Störungen reagieren.
Neben den Eigenschaften des Netzteils spielen deshalb auch folgende Faktoren eine Rolle:
- Leiterplattenlayout
- Kabelführung
- Filter
- Gehäuse
- angeschlossene Lasten
- Massekonzept
- Schaltfrequenzen
Ein Netzteil mit geeigneten EMV-Eigenschaften ist damit eine wichtige Grundlage, ersetzt aber nicht die EMV-Auslegung des gesamten Geräts.
Checkliste für die Auswahl einer Medical Power Supply
Vor der Auswahl sollten mindestens folgende Punkte geklärt sein:
- Welche Eingangsspannung steht zur Verfügung?
- Wird AC/DC oder DC/DC benötigt?
- Welche Ausgangsspannung wird benötigt?
- Welche maximale und typische Leistung fällt an?
- Gibt es Lastspitzen?
- Welche Isolation ist erforderlich?
- Sind MOOP oder MOPP relevant?
- Handelt es sich um eine BF- oder CF-Anwendung?
- Welche Ableitströme sind zulässig?
- Welche Bauform ist vorgesehen?
- Welche Umgebungstemperaturen treten auf?
- Wie wird die Verlustleistung abgeführt?
- Welche EMV-Anforderungen gelten?
- Welche Zulassungen und Normen müssen erfüllt werden?
Je früher diese Fragen im Entwicklungsprozess beantwortet werden, desto einfacher lässt sich die Stromversorgung eingrenzen.
Fazit
Die Auswahl einer Medical Power Supply ist selten eine reine Frage von Spannung und Leistung. Je nach Anwendung können Isolation, Patientenschutz, Ableitstrom, EMV, Temperatur und Bauform mindestens ebenso wichtig sein.
Medical AC/DC-Netzteile wie CFM21, TR70M oder TR220M decken dabei unterschiedliche Anforderungen an Leistung und Integration ab. Für die interne Spannungswandlung bieten CQM60W und CHM150 Beispiele für Medical DC/DC-Lösungen mit unterschiedlichen Leistungs- und Isolationsmerkmalen.
Entscheidend ist letztlich nicht, welches Produkt die meisten technischen Eigenschaften aufweist, sondern welches Versorgungskonzept zu den Anforderungen des gesamten medizinischen Geräts passt.
Bei der Auswahl geeigneter CINCON Medical Power Supplies unterstützt FORTEC Power mit technischer Beratung und bei der Einordnung der verschiedenen AC/DC- und DC/DC-Lösungen.
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