Elección y aplicación del convertidor de CC/CC óptimo para aplicaciones médicas

Diseñar una fuente de alimentación que funcione con CA o con batería es complicado. El diseñador debe desarrollar una solución que proporcione un voltaje y una corriente estables a través de cargas variables y que, al mismo tiempo, funcione eficientemente para minimizar la disipación de potencia. Sin embargo, cuando la fuente de alimentación está destinada a un producto médico, el diseño se complica debido a la compatibilidad electromagnética (CEM), los estrictos requisitos de seguridad relativos al contacto eléctrico con un paciente y la protección contra interferencias electromagnéticas (EMI).

Cumplir estos requisitos es costoso y requiere mucho tiempo para los diseñadores que desarrollan fuentes de alimentación de uso médico desde cero. Los convertidores de CC/CC modulares comerciales son una alternativa, pero hay que tener cuidado al seleccionar y aplicar estas soluciones.

Este artículo describe brevemente la función de un convertidor de CC/CC en un circuito de fuente de alimentación y expone los criterios de selección y las consideraciones especiales que exigen las aplicaciones médicas. A continuación, presenta dispositivos de ejemplo de XP Power y muestra un modelo de aplicación.

La función de un convertidor de CC/CC

Aunque las baterías tienen un voltaje nominal, la producción se ve afectada por factores como el estado de carga, los picos de demanda y la temperatura. Una característica clave es que la salida de voltaje disminuye a medida que la batería se descarga. Sin embargo, los CI y otros componentes sensibles necesitan un voltaje constante para funcionar correctamente. Un convertidor de CC/CC ofrece una solución regulando la tensión de entrada para proporcionar una salida (o salidas) de tensión fiable y constante para alimentar el producto final.

Los convertidores de CC/CC también son habituales en los productos alimentados por la red eléctrica. Un primer convertidor de CA/CC inicial regula la red de CA a un voltaje de CC con uno o varios convertidores de CC/CC. A continuación, la regulación posterior lleva ese voltaje a un nivel adecuado para el producto final.

Las topologías de los convertidores de CC/CC pueden ser lineales o de conmutación. Los reguladores lineales son dispositivos sencillos y resistentes, pero su eficacia disminuye a medida que aumenta la diferencia entre la tensión de entrada y la de salida. Además, los reguladores lineales sólo pueden reducir (buck) en lugar de aumentar (boost) o invertir un voltaje. No poder aumentar los voltajes deja potencial sin explotar en las baterías.

Los reguladores de conmutación utilizan un elemento de conmutación modulado por ancho de pulsos (PWM) que suele constar de uno o dos MOSFET emparejados con uno o dos inductores y condensadores para el almacenamiento y filtrado de energía. Las principales razones por las que los diseñadores eligen reguladores de conmutación son la alta eficiencia y la alta densidad de potencia. Además, los reguladores pueden aumentar, disminuir e invertir voltajes.

Entre los retos a los que se enfrentan los diseñadores que utilizan reguladores de conmutación se encuentran la complejidad del diseño, el costo y los posibles problemas de EMI (interferencia electromagnética) debidos a los elementos de conmutación. Es posible diseñar un regulador de conmutación de CC/CC desde cero, y este enfoque puede ahorrar algo de costo y espacio, pero es complejo y requiere mucho tiempo. Una alternativa es seleccionar entre la amplia gama de módulos comerciales, como la serie JMR de XP Power, que integran los elementos principales del regulador de conmutación en un único dispositivo que es compacto, fiable y fácil de diseñar en un producto (Figura 1).

Figura 1: Dispositivos modulares como la serie JMR integran los elementos principales de un regulador de conmutación CC/CC en un único dispositivo compacto, fiable y fácil de diseñar. (Fuente de la imagen: XP Power)

Selección de un convertidor de CC/CC

Hay muchos factores a tener en cuenta a la hora de elegir un convertidor de CC/CC. Algunas son obvias; por ejemplo, la aplicación determinará las tensiones de entrada y salida y las corrientes de entrada y salida. Otros son más matizados. Por ejemplo, para maximizar la eficiencia hay que tener en cuenta el perfil de carga típico del producto final. Además, el diseñador debe consultar las curvas de eficiencia de la hoja de datos de los convertidores de CC/CC preseleccionados para asegurarse de que el producto final funciona en el punto óptimo de eficiencia del convertidor.

El JMR1024S05 de XP Power es un buen ejemplo de convertidor CC/CC para una aplicación médica. Este convertidor es un dispositivo médico ultracompacto montado en placa de circuito impreso (PC) que mide 20.3 x 31.8 x 10.2 milímetros (mm), con terminales de orificio pasante de 3 mm. Tiene una salida de 5 V a partir de una entrada nominal de 24 V (mín. 9 V, máx. 36 V). Características: corriente de salida máxima de 2 amperios (A) y corriente de entrada a plena carga de 491 miliamperios (mA). La tensión de ondulación de salida es de 75 milivoltios (mV) pico a pico (pk-pk), y su eficiencia es del 84.9%.

El módulo presenta un consumo de energía bajo sin carga de 6 mA, lo que aumenta la eficiencia y reduce la disipación de potencia. También se puede ahorrar 3 mA de consumo de energía sin carga inhibiendo el módulo a distancia (figura 2). El módulo está encendido si la clavija 1 está en circuito abierto; el módulo está apagado si la clavija 1 está conectada a una fuente de corriente de 2 mA a 4 mA, o si se aplican de 2.2 V a 12 V a la clavija 1 con respecto a la clavija 2.

Figura 2: El consumo de energía sin carga del JMR1024S05 puede reducirse a 3 mA inhibiendo el módulo a distancia. (Fuente de la imagen: XP Power)

XP Power ofrece alternativas en su línea de 10 vatios. El JMR1048S12, por ejemplo, funciona con una entrada nominal de 48 V (de 18 V a 75 V) y ofrece una salida de 12 V con una corriente de salida máxima de 833 mA. La corriente de entrada a plena carga es de 237 mA, y cuando funciona en estas condiciones, la eficiencia es del 88%.

El JMR1012D15 funciona con una entrada nominal de 12 V (4.5 V a 18 V) y proporciona una salida de ±15 V con una corriente máxima de 333 mA. La corriente de entrada a plena carga es de 957 mA, y cuando funciona en estas condiciones, la eficiencia es del 87%.

La frecuencia de conmutación de la serie JMR de 10 vatios es de 300 kilohercios (kHz).

Requisitos especiales para usos médicos

Los productos médicos exigen más de un convertidor de CC/CC porque los componentes eléctricos utilizados en los productos finales están sujetos a la estricta norma de seguridad médica IEC 60601-1.

Según la norma IEC 60601-1, la "parte aplicada" se define como el elemento del producto sanitario que entra en contacto directo con un paciente, o que tiene partes que pueden entrar en contacto con el paciente durante el uso normal del producto. La norma define las partes aplicadas según el tipo de contacto con el paciente y la naturaleza del producto sanitario.

La clasificación de tipo B se otorga a las partes aplicadas que generalmente no son conductoras y pueden conectarse a tierra. El tipo BF (cuerpo flotante) se da a las partes aplicadas que están conectadas eléctricamente al paciente y deben estar flotantes y separadas de tierra. El tipo BF no cubre las partes aplicadas con contacto directo con el corazón. La clasificación de tipo CF (cardíaco flotante) se otorga a las piezas aplicadas aptas para la conexión cardíaca directa. Las piezas aplicadas de tipo CF deben ser flotantes y estar separadas de la tierra.

Los productos sanitarios conectados a pacientes deben proporcionar medios de protección (MOP) para evitar que las partes aplicadas (y otras partes accesibles) superen las limitaciones de voltaje, corriente o energía. Una conexión a tierra de protección conforme proporciona 1 x MOP, el aislamiento básico también proporciona 1 x MOP y el aislamiento reforzado proporciona 2 x MOP.

Los MOP pueden clasificarse a su vez en Medios de Protección del Operador (MOOP) y Medios de Protección del Paciente (MOPP). En los dispositivos destinados a la conexión de pacientes, se requieren 2 x MOPP.

Las fuentes de alimentación para dispositivos médicos con clasificaciones de tipo BF y CF deben proporcionar 2 x MOPP del primario al secundario y 1 x MOPP del primario a tierra. El aislamiento de seguridad adicional de cualquier salida secundaria de la fuente de alimentación a tierra también debe tener un valor nominal de 1 x MOPP para la tensión de línea de CA entrante más alta. La tabla 1 muestra el espacio para la entrada de aire, la distancia de fuga y los voltajes de prueba para aislantes básicos (1 x MOP) y reforzados (2 x MOP) en aplicaciones MOOP y MOPP.

Tabla 1: Se muestran el espacio para entrada de aire, la distancia de fuga y los voltajes de prueba para aislantes básicos (1 x MOP) y reforzados (2 x MOP) en aplicaciones MOOP y MOPP. (Fuente de la tabla: XP Power)

Además de la MOP para aplicaciones MOOP y MOPP, la fuente de alimentación de un dispositivo médico debe estar diseñada para limitar la corriente de contacto, la corriente auxiliar del paciente y la corriente de fuga del paciente. Los valores máximos permitidos para la corriente de contacto son 100 microamperios (μA) en condiciones normales y 500 μA en una condición de fallo único (SFC). Este requisito limita efectivamente la corriente de fuga a tierra del sistema a 500 μA en funcionamiento normal.

Los requisitos para la corriente de contacto, la corriente auxiliar del paciente y la corriente de fuga del paciente representan un reto para los diseñadores. Deben garantizar que la fuente de alimentación proporcione el aislamiento de seguridad necesario, minimizando al mismo tiempo las corrientes de fuga en condiciones normales de funcionamiento y la protección en condiciones de fallo mediante el aislamiento del paciente de la toma de tierra.

Por último, el producto de uso médico debe cumplir los requisitos de CEM establecidos en la norma IEC 60601-1-2. Estos requisitos pretenden mejorar la inmunidad de los equipos frente a los numerosos dispositivos de comunicaciones inalámbricas que funcionan cerca de equipos vitales. El objetivo secundario de los requisitos es proporcionar orientación CEM para los equipos utilizados fuera del hospital cuando tiende a haber menos control sobre el entorno CEM.

Utilización de un convertidor CC/CC como segunda etapa de aislamiento

Los retos de diseño que plantean los requisitos médicos especiales pueden mitigarse seleccionando cuidadosamente un convertidor de CC/CC que introduzca una segunda etapa de aislamiento. La incorporación de esta etapa proporciona un aislamiento básico a la tensión de línea de CA. También minimiza la capacitancia de entrada a salida (a unos 20 a 50 picofaradios (pF)), lo que a su vez reduce la posible corriente de fuga del paciente a unos pocos microamperios (Figura 3).

Figura 3: Se puede utilizar un convertidor CC/CC homologado (derecha) para regular la tensión de la parte aplicada, a la vez que se proporciona aislamiento secundario para 1 x MOPP y se minimiza la posible corriente de fuga del paciente. (Fuente de la imagen: XP Power)

Por ejemplo, los convertidores de CC/CC de 10 vatios de la serie JMR de XP Power descritos anteriormente cuentan con la aprobación de la agencia de seguridad médica IEC60601-1, aislamiento reforzado de CA 2 x MOPP de 5 kilovoltios (kV), capacitancia de aislamiento de 17 pF y corriente de fuga de paciente de 2 μA, lo que permite una fácil integración en una amplia gama de aplicaciones médicas de BF y CF.

El filtrado CEM, necesario para que el producto final cumpla los requisitos de la norma IEC 60601-1-2, puede añadirse al circuito entre el sistema y los controles del dispositivo médico y el convertidor de CC/CC sin comprometer el aislamiento ni las corrientes de fuga bajas. La figura 4 muestra los circuitos de filtrado CEM recomendados para sobretensiones y transitorios eléctricos rápidos (EFT), y EMI (interferencia electromagnética) de clase B.

Figura 4: Se muestran los circuitos de filtrado EMC recomendados para sobretensión y EFT y EMI clase B para usar con convertidores de CC/CC de la serie JMR10. (Fuente de la imagen: XP Power)

La Tabla 2 muestra los valores de los componentes recomendados para estos circuitos cuando se utilizan los dispositivos de la serie JMR10 con voltajes de entrada de 12 V, 24 V y 48 V.

Tabla 2: Se muestran los valores de los componentes recomendados para los circuitos de la figura 4. (Fuente de la tabla: XP Power)

Conclusión:

Los convertidores de CC/CC modulares y altamente integrados simplifican el diseño de fuentes de alimentación fiables y de alta fiabilidad para sistemas médicos. Aun así, los diseñadores deben elegir cuidadosamente un dispositivo con certificación IEC 60601-1 para asegurarse de que cumple los requisitos de la norma en materia de seguridad del operador y del paciente, así como de compatibilidad electromagnética.