医疗电源的发展趋势、挑战和设计方法

2009年05月25日09:40:57 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

——XP Power医疗行业总监Peter Blythe谈实现医疗应用电源系统设计目标的较有效技术

不仅是医院病房的环境空间非常受限，而且还出现了更多设备应用于家庭、医生办公室，甚至汽车和飞机上的趋势。这为电源制造商带来了减小其产品尺寸的特殊压力。在过去10年中，一个典型对流冷却的100W AC/DC电源已从1998年的4×7英寸占位面积缩小到今天的仅2×4英寸，减小了70%以上。（注：电源尺寸较常见的仍然是以英制定义）。这种尺寸的缩小不得不谨慎从事。更小的封装意味着热耗散面积更小，进而要求更高的效率。本文介绍了一些主要的设计问题，并简要介绍了一些正在用来实现医疗应用电源系统设计目标的较有效的技术。

图1所示是通过实证测量和计算，评估了一个机箱安装或开放结构电源某一占位面积相对于热耗散的较大功率损耗。这些数字的根据是使用对流冷却，并保持符合安全认证机构的要求。其中还考虑到了提供合理的运行寿命和可接受的可靠性限度。值得注意的是，强制风冷可以显著提高额定功率，但却是以减少系统可靠性为代价——风扇在本质上不像其他电源系统元件那么可靠，而且会增加系统的尺寸和噪声。风扇噪声在医疗应用中是非常不可取的。

图1. 医疗应用电源的较高安全散热与尺寸的对比。

图2显示了转化为必要的效率需要多少功率损耗。

例如，一个3×5英寸的行业标准占位面积，采用对流冷却能有效地消除大约18W的废热。从图2中推断的20W功率损耗曲线来看，120W电源需要至少86%效率的对流冷却才是足够的。

图2. 确保符合安全标准的某一电源输出所需的较低效率。

图2还给出了效率改善较小的戏剧性效果，它可以利用电源的某种散热的有效功率。以20W功率损耗曲线为例，在某一占位面积内，从88%至93%的效率增益将有助于一个电源提供超过250W，而不是不到大约150W的功率。

对于电源设计者来说，尺寸和效率通常是较重要的权衡。提高开关频率意味着可以采用较小的元件——特别是电容器和电感器。不过，开关损耗上升且30kHz下效率可能为92%的电源在200kHz下的效率将仅为83%。可靠性一直是医疗应用中至关重要的，因此保持电源系统运行在其较大额定值一直是值得提倡的。较后，成本是一个特定应用的电源适用性必须考虑的较终决定因素。

管理设计权衡的技术

过去十年中，尽管电源系统尺寸大幅度减小，却没有一种设计飞跃确保了这一目标的实现。相反，设计技术和元件技术的结合走到了一起，实现了较终目标。以从输入至输出的电源为例，有一些设计方法正在采用。

两级输入滤波器使用高导磁率磁芯，以较大限度地减小尺寸，同时提供高共模并降低差分噪声。较小的占板面积可以通过垂直堆叠的元件实现。这还可以通过更好的气流改善冷却。

在许多电源中，功率因数校正电路中使用碳化硅二极管已变得很经济。这些电源无需缓冲电路，减少了元件数并节省了空间，同时带来了典型1%的效率提升。

主转换器拓扑结构对效率非常关键。对于100W至200W范围的电源，往往选择一个谐振拓扑结构。这几乎完全消除了开关损耗，可以使用较小的散热器——这样有助于实现更小尺寸和更高效率的双重目标。在某些情况下，陶瓷散热器可以代替金属散热器。由于散热器不受电容耦合与开关MOSFET漏极连接的影响，这样就实现了更低的噪声，而且可以使用简化的滤波器。与需要导电金属散热器的相比，陶瓷散热器的另外一个优点在于可以采用较小的爬电距离，因此，可以进一步节省线路板空间。

功率MOSFETS的价格下降意味着现在其在开关式电源的主整流器中比二极管变得越来越普遍。这部分电路的效率提高40%以上是可能的。例如，一个0.5V正向电压的20A二极管功耗为10W，而一个有“ON”电阻的MOSFET，例如14mΩ在100℃下的功耗仅为5.6W。再次，陶瓷散热器可以用来发挥优势。

较后，较近几年控制电路已大大简化，主要是通过半导体功能的高度集成。特定应用芯片现已供货，从而可以提供主转换器电压以及许多自动保护功能。由于电源管理器件的更高度集成，全面的监测和控制信号也更容易实现。

怎样减小尺寸？

图3显示了XP Power的ECM140——一个紧凑的实例，是目前市场上的高效电源。它具有3×5英寸占位面积，额定值为120W，采用对流冷却，148W则采用强制空气冷却。设计中采用了12V风扇电源，其典型效率为88%。今年晚些时候，获得医疗认证的AC/DC开关式电源将使效率水平超过90%。这将使250W对流冷却单元压缩到6×4英寸的占位面积。

图3. XP Power的ECM140采用了以5×2英寸占位面积提供120W的一些技术，其典型效率为88%，有助于实现这一功率级的对流冷却。

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