Zur Erfüllung eines 2xMOPP-Ratings nach dem IEC-Standard 60601 kombinieren Hersteller heutzutage häufig vorgeschaltete AC/DC-Netzteile und einen DC/DC-Wandler. Dabei ist die Sicherstellung der Patientensicherheit in Kombination der Trennstellen zu gewährleisten. Luft- und Kriechstrecken wie auch Ableitstrom und Isolationsvorgaben sowie Prüfspannungen ergeben sich aus der Norm.

Erstrecken sich darüber hinaus die Anforderungen auf eine marktfähige, kosteneffektive und technologisch im Benchmark-Bereich definierte Versorgungslösung für das System, so ist eine kundenspezifische Lösung hierfür unausweichlich. Ab einer Bedarfsmenge von 1000 Stück pro Jahr ist dies der technologisch und kommerziell sinnvollste Ansatz für eine optimierte medizinische Stromversorgung.

Hohe Anforderungen erfordern kundenspezifische Lösungen

Im folgenden Fall benötigte ein Anwender zur Speisung eines Patienten-Monitorsystems einen DC/DC-Wandler, der sich sowohl mit einem AC/DC-Netzteil als auch aus einer Batterie versorgen lässt, und kam deswegen auf Inpotron zu. Die Besonderheiten dieser Anforderungen waren:

  • Uin = 16 – 30 V mit Tiefentladeabschaltung von 15 V im engen Toleranzband
  • Verpolschutz der Primärversorgung
  • Dauerhafter Überspannungsschutz primär von +/- 50 V
  • 2 Outputs mit +12 V / 7,7 A und + 5 Vstby / 0,5 A
  • Pinstby = 49 mW @ 20 mW an der +5 Vstby (12 Voff)
  • Wirkungsgrad nur 5 Vstby > 80 Prozent ab > 200 mW Leistung
  • Maximale Umgebungstemperatur 70 °C bei maximaler Leistung und ohne aktive Belüftung
  • Limited Power Source; NEC-CLASS-2
  • Inrush current < maximaler Eingangsstrom unter allen Bedingungen
  • EMI: Class B
  • Dynamisches Aus- und Einschaltverhalten unter allen Lastbedingungen, auch bei Leerlauf
  • Hohe Effizienz von 94 Prozent, einschließlich aller Schutz- und EMV-Maßnahmen
  • Open Board, ohne Kühlanbindungen

Der Beginn aller Betrachtungen für eine hohe Zuverlässigkeit ist die Vermeidung von Verlusten, dies galt auch bei diesem Projekt. Unter den gegebenen räumlichen Bedingungen mit wenig natürlicher Konvektion sind Verluste von mehr als 7,0 W nicht akzeptabel. Deshalb ist eine Effizienz von mindestens 93 Prozent also unerlässlich. Im mittleren Lastbereich und nominaler Eingangsspannung sollte das Maximum erreichbar sein.

Im mittleren Lastbereich und bei nominaler Eingangsspannung wird ein maximaler Wirkungsgrad erzielt.

Im mittleren Lastbereich und bei nominaler Eingangsspannung wird ein maximaler Wirkungsgrad erzielt. Inpotron

Um noch dazu eine hohe Überbrückungszeit bei Netzunterbruch zu erzielen, war ein Konzept erforderlich, das einen weiten Eingangsspannungsbereich von 1:4 abdeckt, zudem platzsparend, kosteneffizient und mit minimalen Verlusten umsetzbar ist. Letztendlich kam das Konzept eines Flybacks mit Synchrongleichrichtung zum Einsatz, der mit einem idealen Wickelaufbau im Übertrager, mit der Ansteuerung der Leistungshalbleiter und bei der Komponentenauswahl eine Benchmark-Lösung hervorbrachte, die mit anderen Konzepten – unter den gegebenen Vorgaben – so nicht umsetzbar war.

Der aktive Verpolschutz bis -50 V, ein zusätzlicher aktiver Inrush-Current-Schutz, die redundante Limited-Power-Source-Messanordnung, die Zusatzbeschaltung für dynamisches Herunterlaufen der Ausgangsspannung bei Minimallast und Leerlauf sowie die Abschaltung der Eingangsspannung bei weniger als 15 V zur Minimierung des Eingangsstroms auf < 50 uA sind allesamt nicht ohne Leistungsverbrauch umsetzbar und belasteten somit die Verlustleistungsbilanz mit etwa zwei bis drei Prozent des Gesamtwirkungsgrades.

Der 5 Vstby-Ausgang dient dazu, die Anwendung in einem Sleep-Modus aufrechtzuhalten. Dies ist durchaus üblich und weit verbreitet. Der zulässige Leistungsverbrauch des DC-DC-Wandlers von maximal 29 mW stellte hierbei jedoch schon eine besondere Herausforderung dar. Auch die Wirkungsgradforderung von mehr als 80 Prozent bei einer Belastung von 200 mW ist für einen galvanisch trennenden Wandler nicht einfach umsetzbar.

Temperatur und Lebensdauer beachten

Zuvor genannt sind viele Faktoren, die mit standardisierten Katalog-Produkten unmöglich zu realisieren sind. Letztendlich wird über den hohen Wirkungsgrad die Grundlage geschaffen, eine gleichfalls hohe Zuverlässigkeit wie Lebensdauer zu realisieren. Die Verwendung lebensdauerbestimmender Elektrolytkondensatoren mit einer Lebensdauer von 10.000 h bei 105 °C ergibt nach dem Arrhenius-Gesetz für eine Worst-Case-Betrachtung bei Tu = 70 °C und Volllast folgende, ausreichend genaue Berechnung:

TElko = Umgebungstemperatur + Eigenerwärmung + Fremderwärmung

TElko = 70 °C + 4 K + 8 K=82 °C

Lebensdauer ≥ 10.000h × 2^ ((105 K – 82 K)/10 K)) = 49.245 h ≡ 5,6 Jahre @ Tu = 70 °C

Lebensdauer @ max. Durchschnittstemp. ≥ 10.000 h × 2^ ((105 K – 72 K)/10 K)) = 98.490 h ≡ 11,2 Jahre @ Tu = 60 °C

Damit unterschreiten die Kondensatoren laut Datenblatt die maximale Strombelastbarkeit von 105 °C. Die sich ergebenden Reserven sind beruhigend, da die in der Berechnung befindliche Eigenerwärmung bereits in den Datenblattwerten berücksichtigt ist.

Der DC/DC-Wandler PSU-1152-02 von Inpotron lässt sich auf die Spezifikationen bestimmter Anwendungen anpassen, bietet einen Wirkungsgrad > 94 % bei mittleren Lasten und ist für Medizinanwendungen ausgelegt.

Der DC/DC-Wandler PSU-1152-02 von Inpotron lässt sich auf die Spezifikationen bestimmter Anwendungen anpassen, bietet einen Wirkungsgrad > 94 Prozent bei mittleren Lasten und ist für Medizinanwendungen ausgelegt. Inpotron

Zur Vermeidung eines Brandschutzgehäuses für das System bei höchster Leistungsverfügbarkeit legten die Entwickler von Inpotron die Stromversorgung möglichst nah an der Grenze der Limited-Power-Source NEC-CLASS 2 von 100 W und 8 A aus, ohne zusätzlichen Abgleich und der Anforderung die Verlustleistung möglichst gering zu halten. Mit redundanter Absicherung und Präzisionsverstärkern ließ sich auch hier dies umsetzen. Durch ein idealisiertes Layout und minimale Filterkomponenten konnten die Entwickler die EMV-Kriterien zur Einhaltung der Störaussendung trotz hoher Flankensteilheit – zur Minimierung der Verluste – mit ausreichend Abstand zum Grenzwert beherrschen.