医療アプリケーション向け3DパワーパッケージングDC/DCコンバータ

電子機器は、さまざまな医療環境や在宅医療環境で使用されることが増えており、製品設計者は準拠するべき電気安全規格（IEC 60601-1:2005 とその付帯規格、および欧州の EN 60601-1:2006 などの国別規格）に精通しています。

製品の AC/DC 電源要件を検討する際には、医療オペレータや患者環境に対する「保護手段」（MOPs）に関連して、安全規格の最新版適用について多くのガイダンスが書かれています。モニタリングや刺激のために内臓への電気的接触が予想される場合には、最大電源電圧で定格され、リーク電流が最も近い患者接触部（タイプ CF＝心臓フローティング）で規定された値を超えないような、最高レベルの安全性を持つ電源（2 x MOPP）を単純に使用することが賢明と思われるかもしれません。電池駆動の医療機器では、安全基準を適用する必要がないと考えられることもあります。しかし、完全に認証された AC/DC だけでは不十分な場合もありますが、オーバースペックになる場合や電池駆動機器の内部安全絶縁が必要な例もあります。

AC 電源の場合、機器が「オペレータ」または「患者」環境で使用されるかどうかに応じて、最低 でも2 x MOOPs または MOPP を AC ラインから出力まで絶縁する必要があります。しかし、患者に接続されている出力は、患者が他の故障した機器から電気的に「生きている」状態で致死的な電流が患者を通ってアースに流れる可能性があるため、最低 1 x MOPP でアースから絶縁されている必要があります。このような状況では、患者に接続された回路に電源を供給する追加の絶縁型 DC/DC コンバータが役立ちます。医療グレードの適切な絶縁があれば、患者接続アプリケーションでは、1 x MOOP 出力をグラウンドから絶縁するための AC/DC を使用することができます。

別のシナリオでは、通信ポートと機器（ACまたはバッテリー駆動）の間に不特定の信号接続がある場合、外部からの不具合で信号が「ライブ」になった場合に備えて患者接続と信号の間に 2 x MOPP が必要になります。ここでも、追加の DC/DC コンバータを使用することで必要な絶縁を行うことができます。図 1 はある特定の状況を示しています。クラス I の 2 x MOOP定格AC/DC 電源（不特定の信号入力あり）に2 x MOPP 定格 DC/DC コンバータを追加することで、信号入力に必要な完全な絶縁を提供し、患者接続の状況で低コストの「オペレータ定格」 AC/DC を使用することができます。

DC/DC コンバータは通常、患者接続インターフェースに低電力を供給するだけでよく、そのため比較的小型で低コストになります。また、物理的なサイズのためカップリング容量が非常に小さく、その結果、リーク電流が非常に少なく、AC/DCだけよりも高いレベルの患者接続を可能にします。



医療用DC/DCコンバータ選択の重要性

DC/DCコンバータはコモディティ部品であり、様々なレベルの絶縁定格で、認証の有無に関わらず多くのサプライヤから供給されています。設計者は、高い耐電圧定格が過渡耐性を示すものであることが多く、関連する規格に対する特定機関の認証がなければ製品はいかなるタイプの安全バリアとしても適していない可能性があることに留意する必要があります。医療用アプリケーションの場合、DC/DC のデータシートには、システム電圧（通常は250VAC）が規定したMOOP または MOPP の保護手段が明記されていなければなりません。DC/DCは2 x MOPP認証を正規に持っていますが、例えば30VACでしか認証されておらず、システム電圧が「通常の」AC主電源であれば危険です。医療グレードのDC/DCコンバータは、部品内部で高い絶縁定格を実現することが容易ではないため、一般的ではありません。規格に照らすと、かなりの絶縁材が必要であるか、入力と出力の間に大きな離隔距離が必要で、2 x MOPP/250VAC認証の場合は8mmの沿面が必要となり、内部構造が複雑になります。

医療グレードの高レベル絶縁を実現したDC/DCコンバータの例として、最近RECOMから発売されたR05CT05Sがあります（図2）。このローコスト0.5W製品は、公称入力5V、出力は3.3Vまたは5V、または3.7Vまたは5.4Vから選択可能で、低ドロップアウトレギュレータ（LDO）にヘッド電圧を供給します。コンバータは、スペースに制約のあるアプリケーション向けに、高さわずか2.65mmのコンパクトな10.3mm x 7.7mm SMDパッケージに収められています。医療アプリケーション向けのこの製品の特長は、IEC/EN 60601-1に準拠した2 x MOPP/250VAC連続定格で、5kVACのテスト電圧を備えていることです。また、250VAC/50Hz のアプリケーションでは、わずか 3.5pF のカップリング容量でリーク電流がほとんどありません。非医療アプリケーションにおいて定格はさらに高く、EN 62368-1に準拠した800VACの動作電圧で絶縁を強化しています。動作温度は140℃まで（ディレーティングあり）で、イネーブル機能、シンク機能、トリム機能、低電圧ロックアウト機能を備えています。



高度なパワーパッケージングにより、医療用アイソレーションが可能に

機能性と高い絶縁定格を達成するために、R05CT05Sの設計者は製品パッケージに根本的な新しいアプローチを取らなければなりませんでした。従来のトロイダルトランスでは絶縁要件を満たすことができず、ボビンなどを使用したディスクリートEコアでは大きすぎるため、スイッチング周波数を8MHzに引き上げ、巻線数を大幅に減らし、小型の平面トランスコアを実現しました。また、医療要件を満たすために固体の巻間絶縁材を組み込んでいます。埋め込みダイを用いた高度な回路設計により、高いスイッチング周波数でも高効率を維持しています。ダイはDVE SOIC-16リードフレームにワイヤボンディングされ、製品全体がオーバーモールドされます。

結論

医療グレードの認証を受けた高い絶縁を持つDC/DCコンバータは、CF（心臓フローティング）や患者接続などの最もデリケートなアプリケーションに必要な総合的な絶縁定格を達成するための貴重なツールとなります。RECOM R05CT05Sを使用することで、安全性を損なうことなくコストを最小限に抑えたシステムを設計することができます。本製品に採用されている先進の回路と3Dパワーパッケージング技術は、最新のRECOM製品に採用されている技術の典型であり、医療用を含むすべてのアプリケーションにおいて、より小型で効率的かつコストパフォーマンスの高いDC/DCおよびAC/DCコンバータに採用されています。