Источники питания с высоким пробивным напряжением по изоляции.
Безопасность превыше всего

№ 3’2016
PDF версия
В статье рассмотрены проблемы использования DC/DC-преобразователей с гальванической развязкой для таких критически важных с точки зрения безопасности приложений, как индустриальное оборудование общего применения, IT-оборудование, шахтное и взрывозащищенное оборудование, а также медицинская аппаратура.

Каждый инженер знает, что процесс разработки любого устройства можно сравнить с постройкой здания. Это здание должно быть прочным, долговечным и безопасным, а потому нужно строить его так, чтобы каждый кирпич был не просто установлен на свое место, а правильно и со знанием дела подобран и использован. Представьте на минуту, что в фундамент вашего здания (нового изделия), которое должно выдержать значительные нагрузки и быть безопасным для в нем живущих, заложен не прочный бутовый камень, а плохо обожженный случайный кирпичик — такое здание рано или поздно обязательно рухнет, что может привести к трагическим последствиям. Лишь один неверно выбранный элемент — и все. Это аллегория, но она позволяет точно представить общую картину разработки любых приложений, критически важных с точки зрения безопасности. Здесь нет места допущениям из разряда тех, что использовал поп из известной сказки А. С. Пушкина — «да понадеялся он на русский авось», тут одним щелчком по лбу дело не обойдется.

Безопасность радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) не является каким-то отвлеченным понятием и тем, что можно оставить «на потом». Грамотный разработчик первым делом всегда определяет круг стандартов, под действие которых попадает его будущее изделие. И если стандарты, описывающие общие электрические характеристики, производительность, входные и выходные параметры, можно обойти (если есть требование заказчика или вы берете ответственность на себя), создав свои технические условия, то требования по безопасности как раз и есть тот краеугольный камень фундамента, на котором будет строиться ваше «здание». Здесь не должно быть никаких компромиссов, поскольку требования безопасности, как и воинские уставы, написаны буквально кровью. В этом вопросе наиболее характерными требованиями для РЭА являются требования по электро- и пожаробезопасности, касающиеся как общей системы питания устройства, так и его отдельных компонентов. И эти регламенты определяются назначением конечного устройства. Поэтому, повторюсь, важным в самом начале разработки является определение тех стандартов по безопасности, под действие которых попадает ваше изделие и на соответствие которым оно будет в конечном счете сертифицировано. Именно сертификация по безопасности, как ключик, откроет вашему изделию путь на рынок.

Тема безопасности достаточно обширна, чтобы раскрыть ее в рамках одной статьи, она затрагивает не только отдельные части изделия, но и его общие схемотехнические и конструктивные решения. Поэтому ограничимся рассмотрением такого важного вопроса, как обеспечение требований по безопасности в цепях вторичного питания, а именно их основных компонентов — широко используемых DC/DC-преобразователей. Обычно основному источнику питания, AC/DC-преобразователю, традиционно уделяется много внимания, а вот внутренние DC/DC-преобразователи, особенно малой мощности, могут оказаться тем слабым звеном, которое, как некачественный кирпичик, положенный в фундамент здания, способно разрушить всю вашу постройку. Тут сразу возникают два вопроса: как и почему? При организации питания во внутренних цепях современной РЭА часто используются решения типа PoL (англ. PoL — Point of Load), то есть источник питания приближен к своей нагрузке. Это позволяет упростить организацию питания путем его рассредоточения. Здесь, как правило, применяются понижающие, повышающие или инвертирующие напряжение маломощные DC/DC-преобразователи, имеющие собственную мощность на уровне 1 Вт. Общие критерии выбора и особенности решений на базе DC/DC-преобразователей рассмотрены, например, в публикации [1]. Однако есть такие приложения, в которых нагрузка не просто рассредоточена по плате или внутри блока, а реально удалена на расстояния в несколько десятков метров. Это делает невозможным не только адекватное питание такой нагрузки, но и выполнить должное защитное заземление.

В этих сферах применения мы часто имеем дело с удаленными интерфейсами и самыми разнообразными датчиками (сенсорами), а нередко и с тем и с другим. В этом случае возникает потребность не просто в разделении цепей питания для удобства формирования некоторых нужных напряжений, а в их реальном разделении, то есть гальваническое. Такие вынесенные нагрузки начинают функционировать как самостоятельные единицы, не имеющие общей гальванической связи ни друг с другом, ни, скажем так, с основным аппаратным блоком. Иногда эту проблему решают с помощью изолированных интерфейсов, как это показано в [2]. Если не выполнить гальваническое разделение, то мы получим нарушение функционирования оборудования из-за влияния непрогнозируемых паразитных контурных токов, вызванных наличием петли в заземлении и общих шинах.

Еще одна проблема заключается в следующем — изолированный интерфейс имеет встроенный преобразователь питания, но он, как правило, из-за ограниченной мощности обслуживает только себя [2]. Таким образом, для питания, скажем, удаленного датчика нужно обеспечивать требования по безопасности не ниже тех, что заложены в выбранном изолированном интерфейсе. Такое решение представлено, например, в публикации [3]. Все изложенное выше касается IT-аппаратуры, оборудования общеиндустриального применения, оборудования для нефтегазовой промышленности, а также медицины.

Итак, мы очертили проблему и те ее элементы, которые должны стать прочными «бутовыми камнями» фундамента для ее решения. Чтобы двигаться далее в построении нашего «здания», следует определить границы его прочности, то есть необходимые уровни обеспечения безопасности, которая должна быть достигнута в установленных рамках и не превратиться в самоцель с лишними и неоправданными затратами. А для этого надо заглянуть в стандарты. Для индустриального оборудования безопасность регламентируется стандартом ГОСТ Р МЭК 60204-1-2007 [4], который распространяется и на такой вид оборудования, как шахтное. В разделе 6 данного стандарта в п. 6.3.2 прямо указано, что меры, исключающие случайное появление опасного напряжения прикосновения, включают в себя использование оборудования класса II или эквивалентной изоляции (с двойной, усиленной или эквивалентной изоляцией в соответствии с МЭК 61140), аппаратуры с общей изоляцией в соответствии с МЭК 60439, дополнительной или усиленной изоляцией в соответствии с МЭК 60364-4-4-41 (пункт 413.2). Это подразумевает диэлектрическую прочность изоляции в 3000 В (AC, эффективное) для аппаратуры с питанием от стандартной промышленной сети напряжения переменного тока 220 (230) В.

Для IT-аппаратуры действует основной стандарт ГОСТ Р МЭК 60950-1-2009 [5], который для рассматриваемой в настоящей статье проблемы предусматривает требования по стойкости изоляции к воздействию повышенного напряжения на уровне 1500 В для основной и функциональной изоляции и 3000 В для двойной или усиленной (раздел 5, [5]), в обоих случаях имеется виду эффективное значение напряжения переменного тока, что для аппаратуры с питанием от стандартной промышленной сети напряжения переменного тока 220 (230) В совпадает с требованиями, предъявляемыми для индустриального оборудования.

Что касается взрывобезопасного оборудования, то тут требования в части рассматриваемых электрических цепей определяются стандартом ГОСТ Р 51330.10-99 [13], который гласит (п. 6.4.12.3), что изоляция между искробезопасной и искроопасной цепью, искробезопасной и силовой внешней цепью с номинальным напряжением до 250 В, искроопасной цепью, гальванически связанной с искробезопасной и силовой внешней цепью с номинальным напряжением до 250 В, должна выдерживать испытательное напряжение (эффективное) переменного тока, равное (2U+1000) В, но не менее 1500 В, где U — сумма действующих значений напряжений соответствующих электрических цепей. Пункт 6.4.12.4 стандарта предписывает, что искробезопасные цепи, электрически не связанные между собой, должны выдерживать испытательное напряжение (эффективное) переменного тока, равное (2U+1000), но не менее 500 В, где U — сумма действующих значений напряжений искробезопасных цепей. Кроме того, для этой категории оборудования ограничен еще и собственный нагрев компонентов, в том числе и провод-ников печатных плат и любых жил кабелей.

А вот для медицинского оборудования требования иные, и они регламентируются стандартом ГОСТ Р МЭК 60601-1-2010, который, что весьма важно, соответствует требованиям третьей редакции стандарта IEC 60601-1 [7]. Обратите внимание, что имеются в виду именно требования третьей редакции стандарта, поскольку эта редакция претерпела ряд важных изменений, направленных на ужесточение требований безопасности. Их детальное рассмотрение выходит за рамки настоящей статьи (подробно см. [8, 9]), тем не менее обратим внимание на ряд важных моментов. Это вызвано тем, что пользоваться публикациями на тему проектирования медицинского оборудования, изданными до 2012 года, категорически не рекомендуется.

Что же является важным для нас в свете последних изменений основополагающего стандарта? В новой, третьей редакции стандарта IEC 60601-1, определяющего безопасность медицинского оборудования, введены такие понятия, как безопасность оператора (персонала, то есть лица, работающего с изделием) и безопасность пациента (подразумевается любое живое существо — человек или животное, подвергающееся медицинскому обследованию или лечению). Все эти понятия распределены по типам медицинского оборудования, учитывающим определенную степень контакта с оператором и пациентом. Соответственно введены такие понятия, как средство защиты MOP (Means of Protection), разделенное теперь на две категории — средство защиты оператора MOOP (Means of Operator Protection) и средство защиты пациента MOPP (Means of Patient Protection). Иллюстрация распределения защитных барьеров в типовом медицинском оборудовании согласно новой редакции стандарта приведена на рис. 1 (использован рисунок из публикации [9]).

Распределение изоляционных барьеров в типовом медицинском оборудовании

Рис. 1. Распределение изоляционных барьеров в типовом медицинском оборудовании

Согласно ГОСТ Р МЭК 60601-1-2010 и стандарту IEC 60601-1 основная изоляция рассматривается как одно средство защиты, а двойная изоляция — как два средства зашиты, как средство защиты оператора (MOOP) и как средство защиты пациента (MOPP), требования по электрической стойкости изоляции разнятся (табл. 6 «Испытательные напряжения для твердой изоляции, образующий средство защиты» [6]). Пример для стандартного сетевого напряжения 220 В DC (диапазон пикового рабочего напряжения 212 В < U  354 В, по ГОСТ Р МЭК 60601-1-2010) приведен в таблице 1.

Таблица 1. Требования по испытательному напряжению переменного тока ГОСТ Р МЭК 60601-1-2010 для пикового рабочего напряжения 212 В < U ≤ 354 В, среднеквадратическое

Условие

Испытательное напряжение от сетевой части

Испытательное напряжение от вторичных цепей

Зазор

Изоляция

1 MOOP

1500 В

 

2,5 мм

Основная

2 MOOP

3000 В

 

5 мм

Двойная

1 MOPP

1500 В

1500

4 мм

Основная

2 MOPP

4000 В

3000

8 мм

Двойная

Электрическая прочность твердой электрической изоляции ME изделия (определение согласно [6]) должна быть такова, чтобы выдерживать испытательные напряжения, указанные в таблице 1. Согласно ГОСТ Р МЭК 60601-1-2010 соответствие проверяют приложением испытательного напряжения, указанного в таблице 6, в течение 1 мин сразу же после предварительного воздействия повышенной влажности. Здесь есть отличие, например, от требований стандарта по обеспечению безопасности IT-оборудования (ГОСТ Р МЭК 60950-1-2009), который предусматривает проведение испытаний без охлаждения оборудования, сразу после проведения испытания на нагрев.

Как уже отмечалось, рассматриваемые в данной статье DC/DC-преобразователи попадают в категорию «Компоненты ME изделия» (Раздел 4.8 [6]). И здесь внимательный разработчик найдет очень важное и полезное для себя примечание (Примечание 1, раздел 4.8), гласящее, что если эти компоненты уже прошли проверку на соответствие стандартам, подтверждающим уровни безопасности на компоненты, то нет необходимости в выполнении идентичных или эквивалентных испытаний. В противном случае необходимо пройти весь цикл дорогих и длительных испытаний. Это заявление справедливо и для других упомянутых категорий оборудования. Таким образом, для разработчика есть прямая выгода использовать в рассматриваемых приложениях законченные решения DC/DC-преобразователей, уже имеющие соответствующие сертификационные подтверждения по безопасности. Здесь имеется в виду не только электробезопасность, но и пожаробезопасность, в том числе испытания на собственный нагрев для изделий, на которые распространяется действие ГОСТ Р 51330.10-99 [13].

Однако когда возникает вопрос, с каким пробивным напряжением необходимо выбрать DC/DC-преобразователь для критических с точки зрения безопасности приложений, то тут не все так просто. Коротко поясню. Допустим, вы разрабатываете медицинское оборудование и вам необходимо обеспечить требования на уровне 2MOPP. То есть система изоляции в нашем устройстве должна выдерживать испытательное переменное напряжение, приложенное между входной и выходной цепью и равное 4 кВ (среднеквадратическое). Как известно, это напряжение распределяется по барьерам изоляции согласно второму правилу Кирхгофа. Если собственная емкость одного из изоляционных барьеров в три раза превысит емкость второго барьера, то происходит перераспределение падений напряжения. В этом случае к барьеру с меньшей собственной емкостью будет приложено напряжение не в 2 кВ, как ожидалось, а в 3 кВ. К сожалению, этот момент часто упускают из виду при проектировании, и проблема возникает уже на стадии испытаний. Таким образом, для страховки рекомендуется использовать даже для изделий типа BF (изделие типа B — Body с изолированной рабочей частью, типа F — Floating, которая находится в намеренном физическом контакте с телом пациента в диагностических или лечебных целях, изделие не должно быть подсоединено к сердцу пациента, а контакт с телом пациента не всегда электрический) два изоляционных барьера типа 2MOOP и 2MOPP, как это показано на примере (рис. 1). Более подробно вопросы выбора DC/DC-преобразователей и целый ряд актуальных проблем, вытекающих из третьей редакции стандарта по безопасности медицинской аппаратуры, изложены в публикации [9].

Когда определены основные требования, можно перейти к выбору вариантов практической реализации. Здесь на поверхности три варианта решения — можно самостоятельно выполнить полное проектирование преобразователя с использованием специального ШИМ-контроллера [12], или на базе драйвера с подходящим трансформатором, как это описано в публикации [3], или подобрать законченное решение в виде готового модуля. На первый взгляд первый и второй пути проще и дешевле. Они позволяют легко и гарантированно реализовать требование по изоляции (оно осуществляется разделением обмоток трансформатора и формированием необходимых зазоров). С помощью ШИМ-контроллера при относительно высоких входных напряжениях можно использовать устойчивую к коротким замыканиям топологию обратноходового преобразователя, к тому же его трансформатор имеет более простую конструкцию, так как не требует отвода в первичной обмотке. При использовании драйвера реализуют прямоходовую топологию, которая схемотехнически на малых мощностях проще, но в общем исполнении при относительно большой мощности потребует защиты от короткого замыкания, что для рассматриваемых уровней мощности не критично. Однако конструкция их трансформаторов сложнее. Драйверы, как правило, имеют двухтактный выход или выход полумостового (реже мостового) типа, часть из них уже имеет встроенные ключи, а некоторые требуют внешних [3].

Еще одно достоинство обратноходовых преобразователей заключается в том, что они не так чувствительны к уровню входного напряжения и при наличии обратной связи (например, через дополнительную обмотку или опторазвязку) обеспечивают стабильное по уровню выходного напряжения. А драйверы, как правило, на рассматриваемых мощностях дают простые решения без обратной связи, стабилизирующей выходное напряжение. Учитывая, что в рассматриваемом случае они будут запитаны от относительно стабильного по уровню входного напряжения, с этим недостатком можно смириться, поскольку здесь они предпочтительны. Кроме того, оба решения требуют выходных выпрямителей, а также входных и выходных фильтров. Примеры двух вариантов таких решений приведены на рис. 2.

Примеры типовой топологии маломощных изолированных DC/DC-преобразователей

Рис. 2. Примеры типовой топологии маломощных изолированных DC/DC-преобразователей:
а) решение на базе ШИМ-контроллера LM2575-5.0;
б) прямоходовой преобразователь на базе драйвера MAX845 с двухтактным выходом

Как можно видеть, для изложенных выше решений есть два весьма существенных отрицательных момента. Во‑первых, это общие габариты, так как оба решения имеют вынесенный трансформатор и дискретную обвязку, особенно это касается обратноходового преобразователя (рис. 2а). Тут имеется достаточно большое число внешних компонентов. Во‑вторых, хотя есть достаточно предложений в виде стандартных трансформаторов, которые обеспечивают необходимый уровень изоляции, в общем решении они остаются относительно слабым звеном. Но дело еще и в том, что эти ваши решения не сертифицированы изготовителем, так что честь реализации этого процесса достанется вам в полной мере, о чем мы уже говорили ранее. И коль скоро вам предстоит этим заниматься, необходимо учесть, что согласно всем стандартам, в том числе и наиболее строгому ГОСТ Р МЭК 60601-1-2010, испытания по безопасности в части устойчивости к повышенному напряжению проводятся после воздействия предельной влаги или нагрева. Как известно, эпоксидная маска, используемая для защиты печатной платы, не является защитой от влаги или загрязнения, поэтому любая грязь, оставшаяся на плате, или ошибка в ее разводке в части обеспечения зазоров станет той ошибкой, которая может откинуть вас иногда даже на самые ранние стадии ОКР. Учитывая, что таких преобразователей может понадобиться несколько, не исключено, что скупой заплатит дважды. Здесь необходимо помнить одно из золотых правил разработчика: разрабатываются только те компоненты, которые нельзя купить. Особенно это касается DC/DC-преобразователей для ответственных с точки зрения безопасности и надежности приложений.

Какой же выход? Использовать пусть и более дорогое, но уже законченное решение DC/DC-преобразователя в виде готового и сертифицированного по безопасности модуля. Проблема заключается лишь в том, что нужно выбрать модуль, отвечающий требованиям основного стандарта по безопасности с учетом моментов, изложенных в настоящей статье. В качестве возможного оптимального решения могут быть предложены новейшие DC/DC-преобразователи серии TMV-HI, выпускаемые под торговой маркой TracoPower [10]. Эта серия изготавливается известной и хорошо себя зарекомендовавшей на рынке швейцарской компанией TRACO Electronic AG. За свою 35‑летнюю историю компания стала одним из лидеров рынка преобразователей самого различного назначения, в том числе и для критических по безопасности приложений.

Серия TMV-HI продолжает линейку аналогичных по мощности преобразователей TMV-EN [11] (рис. 3). Обе серии выполнены на основе топологии прямоходовых преобразователей с частотной модуляцией. Основное отличие новой серии заключается в увеличенном напряжении пробоя изоляции (табл. 2).

Рекомендуемый входной p-фильтр для уменьшения уровня помех на примере однополярного DC/DC-преобразователя серии TMV-EN

Рис. 4. Рекомендуемый входной p-фильтр для уменьшения уровня помех на примере однополярного DC/DC-преобразователя серии TMV-EN

Таблица 2. DC/DC-преобразователи серий TMV-EN и TMV-HI компании TRACO Electronic

Наименование параметра

TMV-EN

TMV-HI

Мощность

1 Вт

1 Вт

Входные напряжения, В

±10%: 5, 12, 24*

±10%: 5, 12, 15, 24

Выходные напряжения, В

5, 12, 15,
±5, ±12, ±15

3,3, 5, 9, 12, 15,
±5, ±9, ±12, ±15, +15/–9

Выходной ток, мА

200, 80, 65,
±100, ±40, ±30

303, 200, 111, 84, 66,
±100, ±56, ±42, ±33, +33 / –55

Входной ток (без нагрузки)

55 мА для 5 В
30 мА для 12 В

35 мА для 5 В
14 мА для 12 В
16 мА для 15 В
12 мА для 24 В

Пиковое входное напряжение (1 с)

9 В для 5 В
29 В для 12 В

9 В для 5 В
18 В для 12 В
20 В для 15 В
30 В для 24 В

Погрешность установки выходного напряжения

±3% max

±5% max

Разбалансировка выходных напряжений для двухвыходных моделей

1% max

1% max

Погрешность поддержания выходного напряжения в условиях изменения нагрузки 20–100 %

<10%

<20% для 5 В <10% для остальных исполнений

Уровень пульсаций и шумов в диапазоне до 20 МГц

100 мВ типовое (полный размах)

100 мВ типовое (полный размах)

Защита от короткого замыкания

Ограниченно, 5 с max

Неограниченно

Электрическая прочность изоляция

4500 В (пиковое), 1 с, 3000 В AC, среднеквадратичное, между входом/выходом, 60 с

5700 В (пиковое), 1 с, 5200 В DC, между входом/выходом, 60 с

Устойчивость по синфазному напряжению (dv/dt)

15 кВ/мкс (min)

Сопротивление изоляции

>10 ГОм

>10 ГОм

Проходная емкость (вход/выход), пФ

15 (типовая)

7 (типовая)

Диапазон рабочих температур

–40…+85 °C (с деградацией 2,85%/K выше +70 °C)

–40…+85 °C (без деградации)

Температура корпуса

+90 °C max

+100 °C max

Допустимая относительная влажность, без конденсации

95% max

95% max

Допустимая высота над уровнем моря, м

4000

4000

Рабочая частота, кГц

80

100

Корпус**

SIP-7

SIP-7

Материал корпуса

Токонепроводящая пластмасса (UL 94V-0)

FR4 (UL 94V-0)

Масса, г

4

2,8

Габаритные размеры, мм

12,5×7,5×22

10,2×7,1×19,5

Соответствие требованиям по охране окружающей среды

RoHS (директива 2011/65/EU)

RoHS (директива 2011/65/EU)

Соответствие стандартам по безопасности

IEC 60950-1:2005 +A1:2009;
EN 60950-1:2006 +A1:2010 +A11:2009
+A12:2011;
UL 60950-1, CSA C22.2 No. 60950-1-03

CAN/CSA-C22.2 No 60950-1-07, 2nd ed;
A1:2011 ANSI/UL No. 60950-1, 2nd ed.;
A1:2011 IEC 60950-1:2005 (2nd ed.);
Am 1:2009 EN 60950-1:2006/
A11:2009/A1:2010/A12:2011

Примечание.
* Данные приведены с сайта компании, в текущей спецификации [11] указаны два входных напряжения 5 и 12 В.
** Назначение выводов согласно таблице 3.

Новая серия также выполнена в индустриальном малогабаритном корпусе SIP‑7, что значительно меньше аналогичных решений в топологии прямоходового преобразователя, реализованного на отдельном драйвере. Кроме того, вам не нужно беспокоиться о сверхминиатюрном трансформаторе и его распайке (а это не так просто, как кажется), а также о требованиях по токам утечки и устойчивости изоляции преобразователя к воздействию предельных уровней влажности — герметичный корпус SIP‑7 сделан из стойких изоляционных материалов. Но главное, такой DC/DC-преобразователь уже сертифицирован по безопасности, что снимает с ваших плеч (поверьте моему почти сорокалетнему опыту разработчика самой разнообразной РЭА, в том числе взрывозащищенного шахтного оборудования и изделий медицинского направления) тяжелый груз весьма непростых проблем. Сравнение серий TMV-EN и TMV-HI приведено в таблице 2.

Как можно видеть из таблицы 2, новая серия TMV-HI отличается большей гибкостью — диапазон для выбора по входным напряжениям согласно спецификациям увеличен на две позиции (добавлено исполнение на 15 и 24 В), а диапазон выбора по выходному напряжению расширен до 10 позиций. Кроме того, новая серия отличается более высокими значениями КПД (от 70 до 80% вместо 66 и 75% соответственно) и, самое главное, большим напряжением по стойкости изоляции — до 5200 В (DC) вместо 3000 В (AC, эффективное значение), что делает эту серию DC/DC-преобразователей универсальной и открывает для нее новые, более широкие области применения. Также новая серия имеет лучшие показатели надежности, что дало возможность компании TRACO Electronic предоставить ей трехлетнюю гарантию вместо двухлетней гарантии, установленной для серии TMV-EN. Еще одной характерной чертой DC/DC-преобразователей серии TMV-HI является то, что ее параметры не деградируют во всем диапазоне рабочих температур –40…+85 °C.

Важное достоинство рассмотренных серий преобразователей — стандартное назначение их выводов (табл. 3), что позволяет использовать их в ранее разработанных изделиях без внесения конструктивных изменений в конечные изделия. При этом новая серия преобразователей TMV-HI имеет на 30% меньший вес, занимает на 16% меньше места на печатной плате и имеет выигрыш по высоте, что немаловажно в условиях современных тенденций к дальнейшей миниатюризации аппаратуры.

Таблица 3. Назначение выводов преобразователей серий TMV-EN и TMV-HI

Номер вывода

Исполнение

Одиночный

Сдвоенный

1

+Vin (Vcc)

+Vin (Vcc)

2

–Vin (GND)

–Vin (GND)

5

–Vout

–Vout

6

Общий

7

+Vout

+Vout

Кроме рассмотренных выше вопросов обеспечения безопасности, серьезной проблемой, косвенно влияющей на защищенность конечного оборудования, является его электромагнитная совместимость. Обе серии преобразователей имеют встроенный входной помехоподавляющий конденсатор и формально требуют лишь выходных электролитических конденсаторов и входного предохранителя. Параметры данных элементов зависят от рабочих напряжений преобразователей, а их оптимальные значения приведены в спецификациях [10, 11]. При необходимости для уменьшения уровня излучаемых помех, что может потребоваться для решения вопросов электромагнитной совместимости, могут быть приняты дополнительные меры, например установлен по входу рекомендуемый в спецификации [11] внешний пленочный полиэстеровый конденсатор емкостью 1–3,3 мкФ для уменьшения пульсаций входного тока или p-фильтр, как это рекомендует руководство по применению серии TMV-EN [14] (рис. 4). Более полное и детальное рассмотрение решения проблемы входных/выходных пульсаций и помех DC/DC-преобразователей выходит за рамки настоящей статьи, поэтому, если необходимо, следует обратиться, например, к публикации [15].

DC/DC-преобразователи серии TMV компании TRACO Electronic

Рис. 3. DC/DC-преобразователи серии TMV компании TRACO Electronic

Итак, DC/DC-преобразователи могут успешно выступить в роли тех надежных кирпичиков для фундамента, которые обеспечат безопасность разрабатываемых вами новых изделий. Например, описанная серия TMV-EN [11] компании TRACO Electronic со стойкостью изоляции к воздействию повышенного напряжения на уровне 3000 В (DC, эффективное) с учетом указанного в их сертификации соответствия требованиям стандарта ГОСТ Р МЭК 60950-1-2009 (IEC/EN 60950) может быть успешно использована не только для многих видов IT-оборудования, но и для индустриального оборудования общего назначения (в том числе шахтного) по ГОСТ Р МЭК 60204-1-2007, а также для взрывозащищенного по ГОСТ Р 51330.10-99 с учетом электрических и тепловых характеристик этой серии. Причем по стойкости к пробивному напряжению изоляции данные DC/DC-преобразователи превосходят требования стандартов, что при использовании такого преобразователя во взрывозащищенном оборудовании нефтегазовой и химической промышленности резко уменьшает вероятность искрообразования, делая его более безопасным и надежным. Кроме того, с некоторыми конструктивными решениями в общем исполнении конечного изделия они могут найти применение и в медицинском оборудовании в соответствии с ГОСТ Р МЭК 60601-1-2010 (IEC 60950-1) в качестве одного средства защиты уровня 1MOOP или 1MOPP для вторичных цепей. Это назначение DC/DC-преобразователей подтверждает и тот факт, что на сайте компании TRACO Electronic www.tracopower.com серия TMV-EN прямо отнесена к категории Medical/Healthcare («Медицина/Здоровье»), хотя формально относится к классу IT-оборудования.

Что же касается новой серии TMV-HI [12] со стойкостью изоляции к воздействию повышенного напряжения на уровне 5200 В (DC) с учетом сертификации на соответствие требованиям стандарта ГОСТ Р МЭК 60950-1-2009 (IEC/EN 60950), она более универсальна и может использоваться для всех классов и видов описанного в данной статье оборудования и особенно в отношении столь требовательного к безопасности оборудования, как медицинское. Еще одна важная особенность данной серии — ее устойчивость к скорости нарастания синфазного напряжения 15 кВ/мкс (min), что наряду с высокой устойчивостью изоляции по напряжению делает ее применение возможным в гальванически развязанных приводах индустриального оборудования, выполненных на основе IGBT-модулей.

Ну а если вести речь о медицинской технике, то возникает законный вопрос: почему мы вообще здесь говорим о допустимости использования DC/DC-преобразователей данной серии в медицинском оборудовании? Ответ прост: во‑первых, это выгодно, поскольку они доступнее и дешевле специализированных. Во‑вторых, согласно разъяснениям, представленным в публикации [9], примером в реализации медицинской техники может служить решение, в котором первое средство защиты обеспечивается с помощью AC/DC-преобразователя IT-класса, соответствующего требованиям стандарта IEC 60950 по усиленной изоляции, с последующим DC/DC-преобразователем, отвечающим базовым требованиям или 1MOPP-требованиям стандарта IEC 60601-1. В сочетании это решение будет эквивалентно системе изоляции типа 2MOPP. Причина в том, что DC/DC-преобразователь, который отвечает требованиям IEC 60950-1 по усиленной изоляции, будет соответствовать и регламентам 2MOOP или 1MOPP по стандарту IEC 60601-1. Так что требования по защите оператора выполняются. Почему мы не говорим о соответствии преобразователей новой серии требованиям на уровне 2 MOPP, ведь устойчивость изоляции на уровне 5200 В на первый взгляд дает нам такую возможность? Проблема в том, что корпус SIP‑7 рассматриваемых DC/DC-преобразователей не обеспечивает требуемый зазор (имеется в виду расстояние между выводами 2–5). С учетом всех допустимых отклонений и размеров контактной площадки он равен максимум 7 мм при требовании минимум 8 мм (табл. 1). Вот почему это наглядный пример того, что проблему обеспечения безопасности необходимо всегда решать комплексно. Кстати, справедливости ради заметим: чтобы достичь полного соответствия требованиям по защите пациента, необходимо дополнительно рассмотреть и другие факторы, такие как организация системы предохранителей и общее суммарное значение токов утечки.

Литература
  1. Рентюк В. Новые возможности современных DC/DC-преобразователей: особенности принятия решения по выбору и типовые применения // Электрик. 2015. № 7–9.
  2. Рентюк В. Практические вопросы применения ИМС изолированного интерфейса в части выполнения требования по электромагнитной совместимости // Компоненты и технологии. 2015 № 3.
  3. Рентюк В. Полные решения изолированных интерфейсов средств управления и автоматизации на примере предложений компании Maxim // Компоненты и технологии. 2015. № 4.
  4. ГОСТ Р МЭК 60204-1-2007 Электрооборудование машин и механизмов. Часть 1. Общие требования.
  5. ГОСТ Р МЭК 60950-1-2009 Оборудование информационных технологий. Требования безопасности. Часть 1. Общие требования.
  6. ГОСТ Р МЭК 60601-1-2010. Изделия медицинские электрические. Часть 1. Общие требования безопасности с учетом основных функциональных характеристик.
  7. IEC 60601-1 Ed. 3.0 b:2005 Medical electrical equipment. Part 1: General requirements for basic safety and essential performance.
  8. Блис П. Стандарт IEC 60601: переход от второй к третьей редакции // Стандартизация и сертификация. 2012. № 4.
  9. Бейлис А.-М. Безопасное использование DC/DC-преобразователей: требования третьей редакции стандарта IEC 60601-1 // Компоненты и технологии. 2015. №
  10. DC/DC Converters TMV-HI Series, 1 Watt. Rev. April 13. 2015.
  11. DC/DC Converters TMV-EN Series, 1 Watt. Rev. August 22. 2014.
  12. Зайцев И. Чем будем питаться? Питание от Micrel // Компоненты и технологии. 2004. № 9.
  13. ГОСТ Р 51330.10-99 (МЭК 60079-11-99) Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 11. Искробезопасная электрическая цепь i.
  14. Application Note TMV-EN Series. Rev. 06/12.
  15. Робертс С. Решения проблемы пульсаций и помех DC/DC-преобразователей: входная и выходная фильтрация // Компоненты и технологии. 2015. № 11.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *