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医療グレードAC/DC電源：複数のフォームファクタ、プラグオプションで設計を簡素化

筆者： Bill Schweber氏 2024-03-06

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AC電源の医療製品を設計する場合、通常のエンジニアリング上の課題に加え、電源特有の問題に直面します。ライン作動のAC/DC電源（パワーコンバータとも呼ばれます）は、非医療用設計を超える厳しい安全規制を満たさなければなりません。また、さまざまな故障モードにもかかわらず、安全性が保たれるようにしなければなりません。

幸いなことに、これらのコンバータ用電源の選択肢は広がっており、さまざまなフォームファクタ、ラインプラグオプション、定格電力の医療用認定電源から選ぶことができます。

これらのコンバータは、通常の非医療規格に加え、ANSI/AAMI ES60601-1（米国）およびIEC/BS EN/EN60601-1（欧州連合（EU））規格によって規制されています。また、2つの患者保護手段（2×MOPP）と約100マイクロアンペア（μA）のリーク電流を含む要件を満たしています。これらは、安全性と効率性に関する通常の供給基準を超えるさまざまな要件のほんの一部にすぎません。

多くの場合、電源はクラスIIのACプラグ構成で設計されなければならず、アース用の第3のピン（ブレード）がないにもかかわらず安全性が確保されています。これは、アース接続を持つクラスIプラグとは対照的です。多くの2ブレードACレセプタクルがまだ使用されているため、クラスIIが必要とされています。さらに、レセプタクルが3プロングアースタイプであっても、実際のアース接続がなかったり、不具合があったりすることがあります。

オープンフレーム、内部シャーシ電源、または外部ウォールマウントアダプタのいずれかを選択できます。時には最適な選択肢が明確な場合もあります。ほとんどのウォールアダプタの定格は最大50ワットであるため、大電力設計ではオープンフレーム電源が唯一の有効な選択肢となります。それ以外の場合は、トレードオフになるか、アプリケーションによって決定されます。

オープンフレーム電源

内部電源は、完全なシングルボックスソリューションでなければならない製品に適しています。電源を内部に追加するとユニットサイズが大きくなりますが、透析装置、歯科用チェア、電動ベッド、液体ポンプなどの用途であれば、許容できる場合が多いでしょう。

内部電源は、複数の出力で単一電源を使用するのとは対照的に、完全に独立した別個のレールが必要な場合にも使用されます。これは、電源のオン/オフシナリオが異なったり、電圧や電流の定格範囲が広かったりする場合です。

MEAN WELLの「グリーン」RPSシリーズオープンフレームコンバータは、医療アプリケーション用に定格されています。これらのユニットは、5～48ボルトの出力電圧で30～500ワットの電力レベルを提供します。

RPSシリーズの代表的なユニットはRPS-120S-24です。このユニットは、フットプリントが2 × 3インチと小さく、24ボルト、120ワットのプリント回路基板（プリント基板）コンバータです（図1）。全負荷効率94%、無負荷時消費電力0.3ワット未満の超低消費電力で、80～264VAC入力で動作します。クラスIおよびクラスIIシステムの設置に使用でき、150マイクロアンペア（μA）未満の極めて低いリーク電流が特長です。

図1：RPS-120S-24プリント基板コンバータは、わずか2 × 3インチの大きさでありながら、高効率と無負荷時低消費電力で最大120ワットを供給します。（画像提供：MEAN WELL）

ウォールマウントアダプタ

ウォールマウント電源ユニットは、システムの体積と重量を減らすことで、パッケージングと使用の柔軟性を提供します。多くの場合、1次動作電力は供給せず、内蔵バッテリの充電に使用します。これにより、内部AC/DC電源なしでシステムを現場に持ち込むことができます。さらに、このユニットがポータブルシステムでないとしても、電源がACコンセントに設置できるため、デスクトップやベンチのスペースが少なくて済みます。

ウォールアダプタのもう1つの利点は、ACラインの高電圧をシステムの外部に保つことで、内部には安全な低電圧のDCしかないため、認証プロセスが簡素化されることです。このような理由から、低価格、非携帯型でバッテリ不要の消費者製品の多くは、外部アダプタを使用しています。対照的に、内部オープンフレーム電源は、配線や部品が露出しているため、多くの場合、スクリーニングやシールドなどの追加的な物理的保護が必要となります。

MEAN WELLは、定格30～60ワット、出力5～48ボルト、固定プラグ付きのアダプタを提供しています。固定式とは、ACプラグがアダプタ本体に直接取り付けられており、外付けのACケーブルが不要なため、コスト削減とスペースの有効利用が可能です。

9ボルト、60ワットのGEM60I09-P1Jなど、MEAN WELLのGEM60Iシリーズ（図2）のユニットには、EU、米国、英国（UK）、オーストラリア用の交換可能なACプラグ（プラグキットは別売）が付いています（図3）。

図2：GEM60Iシリーズのこのウォールマウントコンバータは、本体に取り付ける交換可能なACプラグを備えており、様々な地域の要件をサポートすることが可能です。（画像提供：MEAN WELL）

図3：GEM60Iアダプタの4種類のブレード構成は、オーストラリア、英国、EU、米国のACプラグパターンに対応しています。（画像提供：MEAN WELL）

一方、MEAN WELLのGSM60EシリーズにはEU専用プラグが、GSM60Uシリーズには米国専用プラグがあります。これらのプラグは取り外しや交換はできず、アダプタの一体型部品として構成されています。

これらのクラスIIユニットは、80～264VACのユニバーサル入力で動作し、リーク電流は100μA未満、無負荷時の消費電力は0.15ワット未満です。医療用およびその他の規制基準をすべて満たし、UL 94V-0グレードの難燃性エンクロージャを採用しています。

まとめ

医療システムを設計する場合、さまざまなフォームファクタのAC/DCコンバータから選ぶことができます。これらのコンバータはすべて、多くの規制要件を満たしています。必要な電圧、電流、定格電力を備え、アプリケーションに最適化されたフォームファクタのMEAN WELL電源を選択することで、最終製品を差別化するための他の設計機能に集中することができます。