Digitale Kommunikation und Steuerung bieten erhebliche Vorteile und Flexibilität
Eine alternde Bevölkerung und die Erkenntnis, dass die frühzeitige Erkennung von Krankheiten die Lebenserwartung erhöht und die Kosten senkt, führen dazu, dass die Zahl der Anwendungen im Gesundheitswesen schnell wächst. Die Stromversorgung von Medizintechnik kann zwar eine Herausforderung sein, aber neue digitale, konfigurierbare Stromversorgungslösungen bieten eine Reihe von Vorteilen, da sie die Steuerung und Kommunikation mit medizinischen Netzteilen "on the fly" ermöglichen.
In diesem Blog befassen wir uns mit fortschrittlichen Stromversorgungslösungen und deren Vorteilen sowohl bei der Entwicklung als auch beim Betrieb.
Medizinische Geräte und insbesondere große medizinische Systeme haben oft komplexe Stromversorgungsprobleme, die Stromversorgungsschemata mit mehreren Schienen und manchmal auch nicht standardisierten Spannungen in Bereichen wie speziellen Sensoren und magnetischer Steuerung erfordern. Aus diesem Grund sind konfigurierbare Stromversorgungen, die eine erhebliche Designflexibilität bieten, in diesen Anwendungen sehr beliebt geworden. Diese Geräte verfügen über ein netzgespeistes Frontend und können mit mehreren Ausgangsmodulen ausgestattet werden, die unterschiedliche Spannungen liefern. Es ist auch möglich, die Module in Reihe oder parallel zu kombinieren, um die anspruchsvollsten Anwendungen zu bewältigen.
Beim Einsatz im Gesundheitswesen wird das Front-End der konfigurierbaren Stromversorgung so konzipiert und zertifiziert, dass es den einschlägigen medizinischen Normen wie EN/IEC 60601 entspricht. Dies bietet die notwendige Sicherheitsisolierung für den Patienten, gewährleistet die Sicherheit des Bedieners und begrenzt Parameter wie den Ableitstrom innerhalb akzeptabler Bereiche. Dies gibt den Entwicklern die Gewissheit, dass die Stromversorgung nach ihrer Konfiguration die Zertifizierung des gesamten Systems nicht beeinträchtigt.
Digitaler Strom für medizinische Anwendungen
Konfigurierbare Stromversorgungslösungen nutzen in zunehmendem Maße digitale Technologien, sowohl für die Steuerung der Stromversorgung als auch für die Kommunikation mit dem übrigen System. Dies kann bei der Entwicklung eines Stromversorgungssystems von unschätzbarem Wert sein, während die Ingenieure ihre Entscheidungen über Kompromisse treffen. Da die Stromversorgung in der Lage ist, wichtige Parameter wie Spannungen, Ströme und Temperaturen zu überwachen, verringert sich der Bedarf an teuren Prüfgeräten und damit auch die Einrichtungszeit.
Sobald der Entwurf abgeschlossen und das System in Betrieb ist, kann die kontinuierliche Überwachung dieser Parameter eine Frühwarnung vor Problemen im System liefern. So kann beispielsweise ein Anstieg der Stromaufnahme eines bestimmten Moduls oder ein schneller Temperaturanstieg eine Frühwarnung für einen bevorstehenden Ausfall an anderer Stelle sein, der dann untersucht und behoben werden kann, bevor er eintritt.
PMBus™ ermöglicht nicht nur die Kommunikation, sondern auch die Konfiguration und Steuerung vieler Aspekte des Netzteils, um es für eine bestimmte Anwendung zu optimieren. Durch die Kompensation innerhalb des Netzteils können externe Komponenten reduziert oder eliminiert werden, was die Größe und Kosten der Gesamtlösung minimiert.
Wenn zum Beispiel bekannt ist, dass eine Anwendung eine große komplexe Impedanz hat, ist mit einem hohen Einschaltstrom zu rechnen. Durch geringfügige Firmware-Änderungen kann die Anstiegszeit der Stromversorgung verringert werden; dieser Einschaltstrom kann mit einer reinen Software-Änderung gesteuert werden.
In vielen Anwendungen kann die Strombelastbarkeit eines Ausgangsmoduls deutlich höher sein als für die Anwendung erforderlich. Um die Sicherheit zu erhöhen (z. B. wenn eine Schiene, die 3 A benötigt, von einem 20 A-fähigen Modul gespeist wird), kann der PMBus auch verwendet werden, um die Stromgrenze des Moduls entsprechend der Anwendung/dem Anwendungsfall zu reduzieren.
Konfigurierbare Technologie
Das CoolX®1800von Advanced Energy(Teil der Excelsys-Produktlinie) ist ein konfigurierbares modulares Netzteil mit 1800 W Leistung für medizinische Anwendungen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 91 %. CoolX1800 ist für den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen wie klinischen Diagnosegeräten, medizinischen Lasern, Dialyse und Radiologie vorgesehen und ist nach IEC60601-13rd Edition mit 2 x MOPP (Means of Patient Protection) und IEC60601-1-24th Edition für EMC zugelassen.
Jedes Gerät ist in einem kompakten, 1U hohen Gehäuse untergebracht und verfügt über sechs Steckplätze für Ausgangsmodule, die mit bis zu zwölf separaten Ausgängen konfiguriert werden können, die alle vom Eingang (1.850 VAC) isoliert sind. Ein zusätzlicher, stets eingeschalteter 23,5-W-Hilfsstromausgang ist für System-Standby-Funktionen vorgesehen.
Ein komplettes Netzteil misst nur 262 mm x 127 mm x 41 mm (10,5" x 5" x 1U). Die MTBF übersteigt 200.000 Stunden und eine fünfjährige Garantie ist Standard. Insgesamt stehen 13 verschiedene Ausgangsmodule zur Verfügung, die Einzel- und Doppelausgänge, hohe Leistung, hohe Spannung und breite Trimmfähigkeiten bieten.
Abbildung 1: Dreizehn Module sind für die modular konfigurierbaren CoolX1800-Netzteile verfügbar
Die Flexibilität des CoolX1800 wird durch die Einbindung von analogem und digitalem Management über die Überwachungs- und Steuerungsmöglichkeiten des PMBus deutlich erhöht.
Herausforderungen der realen Welt mit digitaler Energie bewältigen
Betrachten wir einige Beispiele für die Verwendung konfigurierbarer Netzteile.
Das erste Beispiel ist ein Heizelement in einem medizinischen System, bei dem mehrere Festwiderstände mit einem konstanten (aber einstellbaren) Strom angesteuert werden müssen, um sicherzustellen, dass die Temperatur wie gewünscht bleibt. Die Herausforderung bei der Anwendung dieses Kunden war der Bedarf an 180 VDC mit der Möglichkeit, den Strom bis auf Null einzustellen. Während diese Anforderung normalerweise mehrere in Reihe geschaltete Leistungsmodule erfordern würde, konnte ein CoolX CmK-Modul 180 VDC liefern. In seiner Standardform würde der Strom jedoch nicht den Wert Null erreichen. Um dieses Problem zu lösen, wurde die Onboard-Firmware angepasst. Da es sich um eine Heizungsanwendung handelte, war der leichte Anstieg der Brummspannung kein Problem. Die Firmware wurde von den AE-Anwendungstechnikern beim Kunden implementiert und getestet, um eine schnelle und bequeme Lösung für den Kunden zu gewährleisten.
In einem anderen Projekt entwickelte ein anderer Kunde eine mobile Scan-Anwendung, bei der der CoolX1800 zum Laden von 250-V-Batterien verwendet wurde. Der Kunde benötigte die Möglichkeit, benutzerdefinierte Stromgrenzen festzulegen und den variablen CoolX-Lüfter zu steuern, um das System auch im Leerlauf zu kühlen.
Abbildung 2: Der CoolX1800 wurde in einer mobilen Scan-Anwendung eingesetzt, bei der Firmware-Änderungen die Benutzerfreundlichkeit verbesserten
Quelle: Vom Kunden zur Verfügung gestelltes Material
Um dem Kunden die Möglichkeit zu geben, seine eigenen Standard-Stromgrenzwerte zu speichern, wurde der CoolX-Firmware der Befehl "store all" hinzugefügt. Dies ermöglichte auch die Speicherung anderer PMBus-Parameter. Ein zusätzlicher PMBus-Befehl wurde hinzugefügt, um die Steuerung der Lüfterdrehzahl auch im Leerlaufmodus zu ermöglichen. Diese Änderungen entsprachen den Anforderungen dieser Kundenanwendung, ohne dass die Hardware in irgendeiner Weise verändert wurde.
Zusammenfassung
Die Flexibilität medizinisch zertifizierter, modular konfigurierbarer Stromversorgungen macht sie zu einer idealen Wahl für die komplexen Anforderungen von Anwendungen im Gesundheitswesen. Die Hinzufügung digitaler Funktionen erweitert die Flexibilität dieser Lösungen weiter.
Während der Entwicklungsphase kann die Kommunikation mit der Stromversorgung die Fehlersuche beschleunigen und gleichzeitig komplexe Testgeräte überflüssig machen. Dieselbe Kommunikation kann die Stromversorgung nach der Inbetriebnahme überwachen und eine frühzeitige Warnung vor drohenden Systemausfällen liefern.
Neben der Kommunikation ermöglicht die PMBus-basierte digitale Steuerung die Einführung benutzerdefinierter Funktionen über Firmware-Optimierungen, wodurch die Leistung an die Anforderungen spezifischer Kundenanwendungen angepasst werden kann.
Quelle: https://www.advancedenergyblog.com/advancedenergy/industry-news/digital-power-for-medical-applications/
