Digitální komunikace a řízení přinášejí významné výhody a flexibilitu

Stárnutí populace a poznání, že včasné odhalení onemocnění prodlužuje délku života a snižuje náklady, znamená, že počet aplikací ve zdravotnictví rychle roste. I když může být napájení zdravotnické techniky náročné, nová digitální konfigurovatelná napájecí řešení nabízejí řadu výhod, protože umožňují ovládání a komunikaci se zdravotnickými napájecími zdroji "za chodu".

V tomto blogu se zabýváme pokročilými řešeními napájení a jejich přínosem při návrhu i provozu.

Zdravotnické přístroje, a zejména velké zdravotnické systémy, se často potýkají se složitými problémy v oblasti napájení, které vyžadují napájecí schémata s více lištami a někdy i nestandardní napětí v oblastech, jako jsou specializované senzory a magnetické ovládání. Z tohoto důvodu se v těchto aplikacích staly velmi oblíbenými konfigurovatelné napájecí zdroje, které nabízejí značnou konstrukční flexibilitu. Tyto jednotky mají přední část napájenou ze sítě a možnost mít více výstupních modulů pro zajištění různých napětí. Pro nejnáročnější aplikace je také možné moduly kombinovat sériově nebo paralelně.

Při nasazení pro zdravotnické aplikace bude přední část konfigurovatelného napájecího zdroje navržena a certifikována tak, aby splňovala příslušné zdravotnické normy, například EN/IEC 60601. To poskytuje nezbytnou bezpečnostní izolaci pro pacienta, zajišťuje bezpečnost obsluhy a omezuje parametry, jako je unikající proud, v přijatelných mezích. To dává konstruktérům jistotu, že po konfiguraci nebude napájecí zdroj bránit certifikaci celého systému.

Digitální napájení pro lékařské aplikace

Konfigurovatelná řešení napájení stále častěji využívají digitální technologie, a to jak pro řízení napájení, tak pro komunikaci se zbytkem systému. To může být neocenitelné při návrhu napájecího schématu, kdy se inženýři rozhodují o kompromisních řešeních. Díky tomu, že napájecí zdroj dokáže monitorovat klíčové parametry, jako jsou napětí, proudy a teploty, se snižuje potřeba drahého testovacího vybavení i doba potřebná k nastavení.

Po dokončení návrhu a nasazení systému může průběžné sledování těchto parametrů poskytnout včasné varování před problémy v systému. Například zvýšení odběru proudu u určitého modulu nebo rychlý nárůst teploty může být včasným varováním před blížící se poruchou na jiném místě, kterou lze prozkoumat a řešit dříve, než k ní dojde.

Kromě komunikace umožňuje sběrnice PMBus™ také konfigurovat a řídit mnoho aspektů napájecího zdroje a přizpůsobit jej tak konkrétní aplikaci. Díky kompenzaci v napájecím zdroji lze omezit nebo vyloučit externí komponenty, čímž se minimalizuje velikost a náklady na celkové řešení.

Pokud je například známo, že aplikace má velkou komplexní impedanci, lze očekávat vysoké úrovně rozběhového proudu. Drobnými úpravami firmwaru lze zkrátit dobu náběhu napájecího zdroje; tento rozběhový proud lze řídit pouze úpravou softwaru.

V mnoha aplikacích může být proudová kapacita výstupního modulu výrazně vyšší, než aplikace vyžaduje. Pro zvýšení bezpečnosti (například když je lišta vyžadující 3 A napájena modulem s kapacitou 20 A) lze také použít sběrnici PMBus ke snížení proudového limitu modulu tak, aby vyhovoval dané aplikaci/případu použití.

Konfigurovatelná technologie

CoolX®1800od společnosti Advanced Energy(součást produktové řady Excelsys) je konfigurovatelný modulární napájecí zdroj s výkonem 1800 W pro lékařské aplikace s účinností až 91 %. Zdravotnické jednotky CoolX1800, určené pro použití v široké škále aplikací, jako jsou klinická diagnostická zařízení, lékařské lasery, dialýza a radiologie, jsou schváleny podle normy IEC60601-13. vydání, která nabízí 2 x MOPP (prostředky ochrany pacienta), a podle normy IEC60601-1-24. vydání pro EMC.

Každá jednotka je umístěna v kompaktním pouzdře o výšce 1U a má k dispozici šest slotů pro výstupní moduly, takže je možné nakonfigurovat až dvanáct samostatných výstupů, které jsou všechny izolovány od vstupu (1 850 VAC). Pro pohotovostní funkce systému je k dispozici další 23,5 W vždy zapnutý pomocný výstup.

Zkompletovaný napájecí zdroj má rozměry pouhých 262 mm x 127 mm x 41 mm (10,5" x 5" x 1U). MTBF překračuje 200 000 hodin a standardem je pětiletá záruka. K dispozici je celkem 13 různých výstupních modulů, které nabízejí jednoduché a dvojité výstupy, vysoký výkon, vysoké napětí a široké možnosti trimování.

Obrázek 1: Pro modulární konfigurovatelné napájecí zdroje CoolX1800 je k dispozici třináct modulů.

Zdroj: https: //www.advancedenergy.com/globalassets/resources-root/data-sheets/en-lv-coolx1800-data-sheet.pdf

Flexibilitu CoolX1800 výrazně zvyšuje možnost analogového a digitálního řízení prostřednictvím monitorovací a řídicí sběrnice PMBus.

Řešení reálných výzev pomocí digitálního napájení

Uveďme si několik příkladů použití konfigurovatelných napájecích zdrojů.

Prvním příkladem je ohřívač v lékařském systému, který vyžaduje, aby bylo několik pevných odporů řízeno konstantním (ale nastavitelným) proudem, aby se zajistilo udržení potřebné teploty. Problémem této zákaznické aplikace byla potřeba 180 V DC s možností nastavit proud až na nulu. Zatímco tento požadavek by normálně vyžadoval více napájecích modulů zapojených do série, 180 VDC dokázal zajistit jeden modul CoolX CmK. Ve své standardní podobě by však proud nedosáhl nuly. Pro vyřešení tohoto problému byl upraven vestavěný firmware. Jelikož se jednalo o aplikaci s ohřívačem, mírné zvýšení zvlnění napětí nepředstavovalo problém. Firmware byl nasazen a otestován aplikačními inženýry AE přímo u zákazníka, čímž bylo zajištěno rychlé a pro zákazníka pohodlné řešení.

V jiném projektu vyvíjel jiný zákazník mobilní skenovací aplikaci, kde se CoolX1800 používal pro nabíjení 250 V baterie. Zákazník potřeboval možnost nastavit vlastní proudové limity a také možnost ovládat variabilní ventilátor CoolX, aby mohl zajistit chlazení systému i v klidovém stavu.

Obrázek 2: CoolX1800 byl použit v mobilní skenovací aplikaci, kde úpravy firmwaru zlepšily použitelnost.

Zdroj: Materiál dodaný klientem

Aby si zákazník mohl uložit vlastní výchozí limity proudu, byl do firmwaru CoolX přidán příkaz "store all". To umožnilo uložit i další parametry nastavené na sběrnici PMBus. Byl přidán další příkaz sběrnice PMBus, který umožňuje řídit otáčky ventilátoru i v klidovém režimu. Tyto změny splnily potřeby této zákaznické aplikace, aniž by došlo k jakékoli změně hardwaru.

Souhrn

Flexibilita lékařsky certifikovaných modulárních konfigurovatelných napájecích zdrojů z nich činí ideální volbu pro komplexní potřeby zdravotnických aplikací. Přidání digitálních funkcí dále rozšiřuje flexibilitu těchto řešení.

Ve fázi vývoje může komunikace s napájecím zdrojem urychlit ladění a zároveň eliminovat složité testovací vybavení. Stejná komunikace může monitorovat napájecí zdroj po jeho nasazení a poskytnout včasné varování před hrozícím selháním systému.

Vedle komunikace umožňuje digitální řízení založené na sběrnici PMBus zavádět vlastní funkce prostřednictvím úprav firmwaru, a tím upravovat výkon podle potřeb konkrétních zákaznických aplikací.

zdroj: https: //www.advancedenergyblog.com/advancedenergy/industry-news/digital-power-for-medical-applications/