Die Stromversorgung managen

Medizinelektronische Systeme benötigen oft eine ganze Menge an verschiedenen Versorgungsspannungen auf der Platine. Außerdem müssen solche Systeme meist hohen Anforderungen an die Isolations-spannung genügen. Für solche Aufgaben gibt es spezielle Halbleiterchips.

Moderne medizintechnische Systeme benötigen komplexe digitale Power-Management-Lösungen, um eine große Anzahl an Versorgungsspannungspegeln sequenziell ein- und auszuschalten, zu überwachen, anzuzeigen und die Leistung zu begrenzen. Deshalb ist es nicht unüblich, dass eine einzelne Baugruppe Dutzende von Versorgungsspannungspegel besitzt, die alle ihre ganz speziellen Anforderungen haben.

Typischerweise erfordern es die dort eingesetzten Power-Management-Lösungen, dass mehrere diskrete Bausteine, gesteuert von einem FPGA oder Mikrocontroller, über die Baugruppe verstreut sind, um die oben beschriebenen Aufgaben zu erfüllen. Bei einem solchen System ist großer Zeit- und Entwicklungsaufwand nötig, um die nötige Firmware zu entwickeln.

Der »LTC2978« ist solch ein Baustein für das digitale Stromversorgungs-Management (Bild 1). Er soll den Entwicklern medizintechnischer Geräte eine integrierte und modulare Lösung bieten, um den Zeitaufwand für die Entwicklung und das Debugging im Vergleich zu Lösungen auf Basis von Mikrocontrollern zu reduzieren. Der LTC2978 kann bei bis zu acht Stromversorgungen sequenziell ein- und ausschalten, die Spannung anzeigen und überwachen sowie die Leistung begrenzen und trimmen.

Mehrere dieser ICs lassen sich über den gemeinsamen Eindraht-Takt-Bus oder einen oder mehrere bidirektionale Fehler-Pins kaskadieren, um bis zu 72 Versorgungsspannungspegel an einem einzigen I²C-Adressbus zu steuern. Darüber hinaus nutzt der LTC2978 einen geschützten Block von nichtflüchtigem Speicher (EEPROM), um die Systemspannungen und Fehlerinformationen zu speichern, wenn ein schwerer Systemfehler eintritt.

Da wichtige Systemdaten in diesem nichtflüchtigen Speicher abgelegt sind, kann der Anwender einen fehlerhaften Versorgungspegel identifizieren und den Grund für einen Baugruppenfehler während der Systementwicklung, dem Test-Debugging oder der Fehleranalyse erkennen. Das IC benutzt das Befehlsprotokoll des Industriestandards PMBus, um die Entwicklung der Firmware zu vereinfachen.

Die wichtigste Eigenschaft des LTC2978 ist seine integrierte Präzisionsreferenz und der 15 Bit breite ΣΔ-A/D-Wandler, der Werte mit einem absoluten Fehler von ±0,25% liefert, wenn er die Versorgungsspannungen misst oder einstellt. Um den Baustein zu programmieren, kommt das Softwarewerkzeug »LTpowerPlay« von Linear Technology zum Einsatz.

Dieses kostenfreie, grafische PC-Interface soll die Interaktion mit dem Bauteil im Design und Test erleichtern. LTpowerPlay ist laut Hersteller ein einfaches, dabei jedoch leistungsstarkes Konfigurationswerkzeug für den Zugriff auf die Funktionen im LTC2978. Künftige digitale Power-Management-Bausteine von Linear Technology sollen ebenfalls von diesem Werkzeug unterstützt werden.

Anforderungen an die Isolation

ine wichtige Überlegung bei der Entwicklung von medizintechnischen Produkten ist das Erfüllen der Isolationsvorschriften von 4 kV entsprechend der IEC 60601-1 für Produkte, die Kontakt mit dem Patienten haben. Zusätzlich ist eine kleine Sperrschichtkapazität erforderlich, um Leckströme in medizinischen Geräten zu minimieren. Leckströme von einem Gehäuse, denen ein Patient oder Anwender ausgesetzt sein kann, sind auch als »Berührungsströme« bekannt.

Die Norm IEC 60601 spezifiziert dazu die Grenze von 100 µA für den normalen Betrieb (Normal Condition, NC) und 500 µA für eine einzelne Fehlerbedingung (Single Fault Condition, SFC). Ein weiterer Lecktest spezifiziert den erlaubten Patientenableitstrom insgesamt, der ein Maß für den Leckstrom ist, wenn alle Teile des medizinischen Geräts, die zum Betrieb notwendig sind, an den Patienten angelegt sind.

Nach der IEC 60601-1 müssen alle Komponenten an der Isolationssperre für die Zeitspanne von einer Minute 4000 V (AC) oder 5600 V (DC) Isolationsspannung verkraften. Diese Norm spezifiziert ebenfalls die Hilfsmittel zum Schutz der Patienten (Means Of Patient Protection, MOPP), die den erforderlichen Isolationsschutz beschreiben, um das Risiko eines elektrischen Schlages für den Patienten zu reduzieren.

Der Isolationsschutz enthält alle Kriechstrecken und Sicherheitsabstände sowie die Isolierung und Schutzerdungen. Linear Technology hilft mit einer ganzen Reihe von Isolationsbausteinen dabei, diese Anforderungen zu erfüllen. Diese besitzen eine integrierte Versorgung und bieten bis zu 5 kV (RMS) Isolationsspannung, ohne dass externe Komponenten erforderlich sind.

Die ersten Produkte in dieser Familie sind die isolierten »µModule«-Transceiver »LTM2881« für RS-485 und »LTM2882« für RS-232, die beide 2,5 kV (RMS) Isolationsspannung besitzen (Bild 2). Beide Produktlinien enthalten einen isolierten DC/DC-Wandler mit 1 W Ausgangsleistung und bis zu 65% Wirkungsgrad an einem geregelten 5-V-Ausgang.

Alles, angefangen bei Koppelkondensatoren, Dioden und selbst ein schaltbarer Abschlusswiderstand (LTM2881) sind in das Modul integriert. Hoher ESD-Schutz an den Sende/Empfänger-Pins und über der Isolationsbarriere garantieren, dass kein Latch oder gar Zerstörung auftritt. Diese neuen Bausteine stellen laut Hersteller eine sehr robuste Lösung dar, die eine kontinuierliche Kommunikation liefert, selbst bei 30-kV/µs-Transienten.

Die beiden Bausteine LTM2881 und LTM2882 sind eine Lösung mit sehr geringer elektromag-netischer Störabstrahlung (EMI), welche die Anforderungen der Abstrahlemissionen gemäß EN 55022 Klasse 2 erfüllt, wenn die nötigen Layout-Vorschriften befolgt werden.

Über die Autorin:

Alison Steer ist Product Marketing Manager für Mixed Signal Products bei Linear Technology.

Lesen Sie mehr zum Thema