医疗应用中何时需要关注功率峰值 - Convertronic 电子杂志

细节: 类别：电源; 2022年6月30日

电源无处不在，几乎所有电子设备都需要电源。无论是电池供电还是市电供电，电源解决方案都与应用领域一样多种多样。从利用能量采集供电的人体传感器到磁共振成像等高功率医学成像系统，所有医用电源都具有一个共同的要求：安全、可靠且节能。.

绝大多数医疗设备只需使用与其运行环境相匹配的传统电源——就像马拉松一样，需要在整个使用寿命期间日复一日地持续供电——但某些应用领域则需要能够提供峰值功率的电源，无论这种峰值功率是偶尔出现还是反复出现。对于这些应用，医疗设备制造商必须考虑一系列参数，以确保其选择的电源不仅能够长期稳定运行，而且在某些特定应用中，还能在不影响安全性、性能和可靠性的前提下，应对峰值功率的冲击。.

当马拉松需要短跑级别的表现时，需要考虑哪些因素？
医疗设备制造商当然明白电源必须符合安全标准（EN/IEC 60601-1），但其输出性能很大程度上取决于终端设备的负载特性。虽然监护和监控系统的功耗相对稳定且易于预测，但在诸如病床、输液泵、呼吸机（包括直流电机）以及作为感性或容性负载的机电开关等医疗设备中，电源可能需要在几毫秒到几秒的时间内提供额外的功率（图 1）。虽然这些功率尖峰的持续时间与正常运行时间相比似乎很短，但必须仔细考虑，以避免代价高昂的意外情况。

除了电压和输出功率之外，负载类型也会影响系统设计人员需要考虑的因素。负载类型多种多样，在某些设备中，主电源可能需要为各种具有不同负载特性的系统和子系统供电，这显然会更加复杂。为了简化说明，我们可以列出四种基本负载类型：感性负载、容性负载、恒流负载和非线性电阻负载。每种负载都有其特定的特性，在为特定应用选择电源时需要特别注意。.

负载类型概述：
感性负载：具有感性特性的负载，例如电机和电磁开关（如继电器、磁性开关），称为感性负载。当对直流电机施加电压时，会有数倍于额定值的电流流过负载；而当电压切断时，由于负载的感性成分，会产生反电动势（EMF）电压 E = -L × (di / dt)。通常，当对感性负载施加电压时，电源只能在过电流保护（OCP）功能的极限范围内维持最大需求所需的能量（图 02）。如果超过该极限，即使是短暂的，电源也可能会关闭。因此，必须明确定义最大负载，以便选择合适的、具有过电流保护功能的电源，该电源允许在规定的时间和顺序内增加功率。此外，当输出电压关闭时，产生的反电动势（通常由电源的电解电容吸收）可能会触发电源的过压保护电路，导致电源关机。在这种情况下，应采取诸如增加反向电压保护二极管之类的措施。

容性负载： 带有电容元件的负载称为容性负载。例如，用于降低电源纹波电压的电容器和用于处理负载尖峰的电容器。对于这类负载，由于电容器上没有电荷，施加电压时会产生非常大的负载电流 ipeak = (V/R)，其中 R 为串联（寄生）电阻。虽然电源可以检测并控制输出电压，但如果在输出端插入一个大容量电容器（超过数万微法），控制系统可能无法检测到这种情况，输出电压可能会变得不稳定。系统设计人员必须考虑设备中安装的总电容值，并验证电源是否能够提供有效为负载充电所需的峰值功率，在某些应用中，负载的电容值可能达到数法拉。

恒流负载： 即使负载电压变化，电流也保持恒定的负载称为恒流负载；例如手术室中的LED照明。电源中内置的过流保护类型至关重要。例如，如果电源的过流保护功能是电流下拉型，则输出电压可能无法升高（图02）。这是因为从施加电压到达到额定电压期间，输出电压会稳定在电源过流保护功能的下拉点。通常，将过流保护功能更改为最大电流限制型即可解决此问题。
非线性电阻：某些设备使用加热元件或灯丝，其电阻会随电流变化。虽然这种电阻单调变化的预热阶段可能持续时间很短，但对于电源而言，它可能表现为超过其内置过流保护阈值的恒定电流。
前面的简要描述中已经提到了过流保护，它是电源的关键组件。它确保在发生过电流情况时（可能是意外发生，也可能是设备故障导致的），电源能够保护设备，并在必要时向操作员发出故障信号，例如通过 LED 指示灯或通过通信总线传输的信号。

过流保护概述：
如前所述，当输出电流/功率超过设定限值时，电源或被供电设备可能会遭受各种损坏。除了防止电流超过额定值外，过流保护电路还能限制短路电流。根据应用和具体系统要求，过流保护 (OCP) 启动时可能会出现以下几种情况：输出可能永久断开并手动复位，可能暂时断开并自动复位，或者表现为恒定的、固定的、安全的电流（图 02）。

当电源或电器设备开启时，初始阶段会有一个较大的电流流向负载，该电流从零开始上升至峰值。这个初始尖峰电流的主要目的是为电源和终端设备内部的大容量去耦电容或缓冲电容充电。在此过程中，随着电容充电或设备从冷启动状态启动，电流会从零迅速上升至峰值，然后逐渐下降至稳态电流（图 3）。在此期间，电源必须提供足够的能量来为电容充电，并向负载提供必要的功率，同时避免触发过流保护（OCP），导致输出断开。此外，某些负载在初始阶段可能表现得像短路一样，因此需要电源避免进入保护模式。.

为了适应这种启动过程，电源的设计允许一定的过电流，通常将过电流保护 (OCP) 阈值设置为最大额定值的 110% 左右。110
% 的阈值足以满足绝大多数应用的需求，但对于需要在几秒钟内达到 200-300% 峰值功率的高要求医疗设备而言，110% 的阈值则远远不够。此时，需要使用不仅能够提供高峰值功率，而且还能确保设备在整个使用寿命期间保持最高可靠性的电源。

以冲刺的速度跑马拉松！
确保电源在需要额外功率时提供充足能量的一个简单方法是，选择额定功率为峰值需求最大功率的电源。例如，如果设备所需的最大恒定功率为 500 瓦，峰值功率为 1000 瓦，考虑到输入电压、环境温度、功率衰减等运行条件，系统设计人员可能会认为 1200 瓦的电源是最合适的解决方案。
这看似显而易见，但如果峰值功率只是偶尔出现，那就显得过大了。例如，当直流电机启动以调整病床位置，然后停止运转时，电源仅用于为控制系统供电。对于需要在有限时间内重复承受峰值负载的系统而言，与稳态功率相比，1200 瓦的电源也是过大的。

为峰值负载应用选择电源时，需要评估设备整个生命周期的运行条件，并考虑所有方面，包括尺寸、重量和价格。如果峰值负载仅占运行时间的一小部分，那么购买 1200W 的电源可能并非最佳选择。
电源制造商已经开发出能够提供显著额外功率的解决方案——功率可达额定功率的两倍，甚至超过最大功率——并能持续相当长的时间。为了实现这一点，电源必须设计成能够容纳足够的电容器（图 4），并且其功率传输系统必须能够承受重复的峰值需求，而不会过热或对可靠性产生负面影响。
例如，我们可以考察 COSEL 600W AEA600F 系列电源在输出端施加最大负载时的输出电压特性（图 5）。被测产品是一款额定功率为 600W 的电源，在额定电流为 25A 时输出 24V 电压。如图 6 所示，电源组和输出电容器经过精心选择，能够承受两倍额定功率的峰值功率，持续时间为 1000 毫秒。图 6 展示了两种工况：空载时峰值电流为 52.5A，以及半载时电流从 12.25A 到 52.5A 不等。在这两种工况下，电压均保持在规定范围内，过流保护 (OCP) 也不会切断输出。