Расчет размеров Y-конденсаторов для медицинских изолированных источников питания 2MOPP

Расчет размеров Y-конденсаторов для медицинских изолированных источников питания 2MOPP

Резюме

Конденсатор AY, перекрывающий изоляционный барьер 2MOPP, обеспечивает компромисс между запасом ЭМС и утечкой тока в организм пациента. В данной статье выводится предельная емкость из формулы I = 2πfCV при 264 В и 60 Гц, сравниваются диэлектрики N4700, X7R и Y5V в зависимости от температуры, смещения и старения, а также устанавливается связь между выбором корпуса и правилом утечки тока 8.0 мм. Для оборудования типа CF рабочее значение составляет 47 пФ или ниже.

1. Введение

Каждый инженер, создающий изолированный преобразователь 2MOPP, сталкивается с одним и тем же вопросом на пороге: какую емкость Y-цепи может выдержать эта конструкция? Увеличение емкости снижает синфазное сопротивление и обеспечивает запас электромагнитной совместимости в диапазоне от 150 кГц до 30 МГц. Каждый дополнительный пикофарад также увеличивает ток утечки.

Для компонентов типа CF предельный ток составляет 10 мкА в нормальных условиях. Один компонент емкостью 100 пФ сам по себе превышает это значение при напряжении 264 В и частоте 60 Гц, что не оставляет места для трансформатора, печатной платы или допуска тестера безопасности.

Емкость также не является фиксированным значением. Нагрев, постоянное смещение и старение керамики — все это влияет на эффективное значение. Деталь, которая хорошо показывает себя при испытаниях на стенде при 25 °C, может пропускать почти вдвое больший ток утечки после 5,000 часов работы в теплом, влажном помещении.

В этой статье вопрос выбора размеров сводится к краткому алгоритму действий: определить верхний предел, выбрать диэлектрик, а затем задать схему расположения проводников вокруг корпуса.

2. Основной механизм

2.1 Что требуется для барьера из двух мембран MOPP

Стандарт IEC 60601-1 разделяет средства защиты оператора и средства защиты пациента. 2MOPP требует двух независимых слоев, и каждый слой должен сам по себе удовлетворять правилам расстояния между ними. Если первый слой выходит из строя, второй слой все равно удерживает ток, протекающий через пациента, ниже 50 мкА.

При рабочем напряжении 250 В среднеквадратичного значения для 2MOPP требуется 8.0 мм утечки и 5.0 мм зазора. При наихудшем случае 264 В пиковое рабочее напряжение достигает 373 В, и значения зазоров еще больше уменьшаются. Эти два параметра определяют габариты, которым должен соответствовать Y-образный элемент.

Конденсатор AY, на корпусе которого протекает напряжение 264 В, не должен укорачивать путь утечки. Если длина корпуса плюс расстояние между контактными площадками меньше 8.0 мм, то в компоновке печатной платы необходимо использовать паз шириной не менее 1.0 мм или изолирующий барьер. Оба варианта увеличивают площадь печатной платы.

2.2 Формула расчета утечек и устанавливаемый ею верхний предел.

I_leak = 2π · f · C · V

где I_leak — ток утечки в мкА, f — частота сети в Гц, C — емкость Y в пФ, а V — напряжение сети в В. При 264 В и 60 Гц каждый пФ пропускает 0.0995 мкА, поэтому 100 пФ достигают 10.0 мкА, а 47 пФ — 4.7 мкА.

C_max = I_limit / (2π · f · V)

где C_max — предельная емкость в пФ, I_limit — предел утечки тока пациента в мкА, f — частота сети в Гц, а V — напряжение сети в В. При ограничении в 10 мкА при 264 В и 60 Гц значение C_max составляет 100 пФ еще до учета любых других путей утечки.

Частота сети имеет значение. Та же емкость при 60 Гц пропускает на 20 % больше тока, чем при 50 Гц, поэтому конструкция, работающая при 230 В и 50 Гц, может выйти из строя при 240 В и 60 Гц. Размеры изделий, выпускаемых по всему миру, должны рассчитываться с учетом частоты 60 Гц.

2.3 Какие общепринятые ценности действительно передаются

В таблице ниже используются напряжение 264 В и частота 60 Гц. В столбце «Тип CF» указана доля потребления тока, превышающего предел в 10 мкА, которая приходится только на Y-образный вывод.

Емкость Y	Утечка при напряжении 264 В, частоте 60 Гц.	Доля лимита CF
22 пФ	2.2 мкА	22%
47 пФ	4.7 мкА	47%
100 пФ	10.0 мкА	100%
220 пФ	21.9 мкА	219%
470 пФ	46.8 мкА	468%
1 нФ	99.5 мкА	995%

Максимальное значение составляет 100 пФ, и эта цифра предполагает чистую конструкцию. Паразитная емкость печатной платы вдоль изоляционного паза добавляет от 2 до 5 пФ, компактный планарный трансформатор — от 15 до 30 пФ, а сам тестер безопасности имеет погрешность от 2% до 5%. С учетом этих факторов, рабочее значение для типа CF составляет 47 пФ или меньше.

Оборудование типа BF имеет ограничение по току в 100 мкА, поэтому максимальная емкость увеличивается примерно до 1,000 пФ. Старение, дрейф и многокомпонентные блоки по-прежнему снижают практическое значение до 470 пФ или менее в большинстве схем.

2.4 Диэлектрическое поведение изменяет эффективное значение

ΔC = C0 · k_T · k_V · k_A

где ΔC — эффективная емкость в пФ, C0 — номинальная емкость в пФ, k_T — температурный фактор, k_V — фактор постоянного смещения, а k_A — фактор старения. Каждый из этих факторов близок к 1.0 для диэлектрика класса I и значительно опускается ниже 1.0 для компонента класса II.

Микросхема X7R емкостью 100 пФ смещается на ± 15 % в диапазоне температур от −55 °C до +125 °C, теряет от 20 % до 50 % своего значения при постоянном напряжении смещения 300 В и дополнительно падает на 2 % до 5 % за декаду-час из-за старения. Микросхема Y5V смещается на 22 % вверх и на 82 % вниз в пределах своего температурного диапазона, что делает прогнозирование значения тока утечки крайне сложным.

Z_C = 1 / (2π · f · C)

где Z_C — емкостное сопротивление в Ом, f — частота в МГц, а C — емкость в нФ. Компонент емкостью 100 пФ обеспечивает сопротивление 1,592 Ом на частоте 1 МГц и 31.8 МОм на частоте 50 Гц, поэтому один и тот же компонент одновременно обеспечивает электромагнитную совместимость и создает утечку.

Рис. 1 — Компонент емкостью 100 пФ самостоятельно достигает предельного значения тока 10 мкА типа CF, поэтому барьер из 2MOPP пропускает 47 пФ, а остальное передает дроссель.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Утечка и электромагнитные помехи действуют в противоположных направлениях.

Возьмем, к примеру, медицинский блок питания переменного/постоянного тока мощностью 65 Вт. Без разветвителя (Y-образного модуля) уровень кондуктивных помех в диапазоне от 150 кГц до 30 МГц превышает требования стандарта CISPR 11 класса B на 6–10 дБ. Модуль на 100 пФ уменьшает этот дефицит до 2–4 дБ на самых неблагоприятных частотах. Модуль на 470 пФ проходит испытания на электромагнитную совместимость и превышает предел утечки типа CF. Выбор модуля Y-образного модуля — это вопрос распределения одного параметра между двумя требованиями.

Проблема 2: Просачивание жидкости создает непреодолимое препятствие для упаковки.

Корпус микросхемы 1206 имеет длину около 3.2 мм, поэтому расстояние между контактными площадками значительно меньше 8.0 мм. Микросхемы 1808 и 1812 длиннее, но все еще не соответствуют этому правилу. Даже корпус микросхемы 2220 не достигает 8.0 мм между контактными площадками. В схеме оставшееся расстояние приходится компенсировать за счет пазов или перегородок, либо использовать выводную микросхему, выводы которой обеспечивают недостающее расстояние утечки.

Проблема 3: Влажность создает параллельный путь утечки.

В отделениях интенсивной терапии и операционных влажность превышает 85 % относительной влажности. При таком уровне сопротивление изоляции поверхности платы падает, и параллельно с Y-образным элементом образуется путь утечки. Измеренный ток в этом случае превышает ток, производимый только этим элементом. Корпус класса II с пористой структурой также поглощает влагу, что повышает его эффективную диэлектрическую проницаемость и реальную емкость.

Проблема 4: Последовательное соединение двух деталей не уменьшает утечку вдвое.

Распространенный способ решения проблемы — последовательное соединение двух Y-образных компонентов для уменьшения эффективной емкости вдвое. Распределение напряжения между ними происходит в соответствии с их сопротивлением изоляции, а не с емкостью. Если у одного компонента сопротивление изоляции ниже, он потребляет больше напряжения и быстрее изнашивается. Кроме того, такая пара занимает вдвое большую площадь печатной платы, при этом правило 8.0 мм утечки по-прежнему применяется к каждому компоненту.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Определите верхний предел значения до выбора самого значения.

Исходя из предельного значения класса и наихудшего варианта работы сети, вычтите значения трансформатора, платы и тестера. Остаток — это то, что может выдержать разветвитель. Для типа CF при 264 В и 60 Гц этот остаток составляет около 47 пФ.

Стратегия 2: Расчет с использованием верхней границы емкости.

Органы по безопасности проводят испытания при максимально допустимой емкости, поэтому используйте номинальное значение плюс допуск и не учитывайте погрешность смещения постоянного тока. Деталь с допуском ± 10 % учитывается в расчете при максимальном значении.

Стратегия 3: Выберите диэлектрик класса I.

An N4700 Деталь демонстрирует линейную температурную зависимость, сохраняет свои значения при постоянном напряжении и практически не подвергается старению. дверная ручка конденсаторы В той же серии рассматриваются узлы с более высоким напряжением, где барьер должен выдерживать напряжение 10 кВ или более.

Стратегия 4: Восстановление запаса электромагнитной совместимости за счет индуктивности, а не емкости.

Уменьшите значение Y до 470 пФ или ниже и увеличьте индуктивность синфазного дросселя в 3–5 раз. Экранирующая обмотка между первичной и вторичной обмотками также отводит синфазный ток. Оба способа снижают уровень излучения без увеличения утечки тока через дыхательные пути пациента.

Стратегия 5: Совместная разработка упаковки и слота для утечки.

Выберите корпус и слот до того, как будет утверждена компоновка. Разместите плату под каждой контактной площадкой, расположенной внутри барьера, и оставьте прорезь шириной 1.0 мм с обеих сторон Y-образного элемента. Аналогичный контроль необходим для разъема в зоне контакта с пациентом, а деталь, рассчитанная на 4 мм утечки, на 4 мм меньше требуемого значения 2MOPP.

По возможности, источники поставок одинаковых барьерных элементов — один и тот же поставщик. Компания HVC комплектует свои Y-образные элементы следующим образом: градуировочные резисторы и выпрямительный диод для демпфирующего и выпрямительного каскадов, поэтому одна запись прослеживаемости охватывает всю цепь изоляции.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для Y-образного соединения 2MOPP.

Компания HVC производит компоненты класса I для изоляционного барьера, обладающие сопротивлением изоляции и стабильностью смещения, необходимыми для точки связи с катодом на 47 пФ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Сопротивление изоляции превышает 10⁵ МОм при 25 °C и остается выше 10⁴ МОм при 85 °C. Резистивная составляющая остается значительно ниже емкостной составляющей во всем диапазоне температур.
• Коэффициент потерь ниже 0.1 %. Напряжение сетевой частоты на барьере практически не выделяет внутреннего тепла, поэтому деталь не нагревается и не требует расчета снижения номинальной мощности.
• Линейный температурный коэффициент ± 30 ppm/°C. Утечку при любой рабочей температуре можно рассчитать по одной кривой, без защитного диапазона для неизвестного дрейфа.
• Отсутствует спад постоянного смещения. Пиковое напряжение 373 В на барьере не сжимает емкость, поэтому значение, использованное в расчете, остается в цепи.
• Диапазон емкостей от 1 пФ до 470 пФ в корпусах 1206, 1808 и 1812, а также в вариантах с выводами. Варианты с выводами увеличивают утечку тока без необходимости использования паза в печатной плате.
• Скоординированные детали для одного и того же барьера. резисторы выборки и пленочный конденсатор Банки можно заказать у той же команды разработчиков.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а компоненты с нестандартной емкостью или шагом выводов — в течение 6–10 недель. Для медицинских заказов необходимы данные о сопротивлении изоляции на единицу продукции, отчет о частичном разряде при 5 пКл, а также... Перекрестная ссылка В таблице представлены результаты сравнения с сериями Murata DHS, TDK UHV и Vishay 715C.

Отправьте рабочее напряжение, параметры сети, схему изоляционного барьера и значение электромагнитной совместимости (ЭМС) в дБ. HVC вернет расчет утечки, номер детали барьера и примеры образцов для испытаний на ЭМС и утечку.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какую величину емкости по оси Y может выдержать конструкция типа CF?

Максимальное значение составляет около 100 пФ при 264 В и 60 Гц, поскольку каждый пФ пропускает 0.0995 мкА, а предельный ток равен 10 мкА. С учетом паразитных токов на плате, емкости трансформатора и погрешности измерителя, рабочее значение составляет 47 пФ или меньше.

Вопрос 2: Почему частота 60 Гц важнее, чем 50 Гц?

Ток утечки зависит от частоты. Один и тот же компонент при 60 Гц пропускает на 20 % больше тока, чем при 50 Гц, поэтому конструкция, рассчитанная на 230 В и 50 Гц, может выйти из строя при испытаниях при 240 В и 60 Гц. Расчет размеров для случая 60 Гц предназначен для продукции, выпускаемой по всему миру.

В3: Можно ли использовать деталь X7R на шлагбауме?

Только при определенных условиях. Его значение изменяется на ± 15 % при нагреве, падает на 20 %–50 % при смещении и продолжает стареть. При расчете утечки необходимо использовать верхнюю границу емкости, необходимо контролировать разброс параметров партии, а деградация ЭМС вследствие старения должна быть зафиксирована в файле рисков. Для типа CF N4700 является более простым выбором.

Вопрос 4: Учитывается ли емкость трансформатора при расчете значения Y?

Да. Компактный планарный трансформатор имеет емкость между обмотками от 15 до 30 пФ. С учетом Y-образного элемента емкостью 47 пФ барьерная емкость достигает 62–77 пФ, что на 32–64% выше значения, заложенного разработчиком.

Вопрос 5: Почему бы не соединить две Y-образные детали последовательно?

Поскольку деление напряжения происходит за счет сопротивления изоляции, а не емкости. Более слабый компонент потребляет больше напряжения и быстрее изнашивается, площадь платы удваивается, и каждому компоненту по-прежнему требуется собственный путь утечки 8.0 мм. Уменьшение значения Y и увеличение индуктивности дросселя дают лучшие результаты.

В6: Как поддерживать влажность на уровне 85 %?

Выберите корпус с плотной структурой класса I и влагостойким эпоксидным покрытием. Детали из N4700 сохраняют сопротивление выше 10⁵ МОм после 100 часов при 85 °C и 85 % относительной влажности, при этом увеличение утечки не превышает 2×. В рамках квалификации производства добавьте проверку сопротивления изоляции поверхности на тестовой плате через 168 часов.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-12:2020, Медицинское электрооборудование — Часть 2-12: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам аппаратов искусственной вентиляции легких для интенсивной терапииЖенева: МЭК, 2020.
3. МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Т. Кадзи, Х. Асаи, Т. Нозу, Х. Кодзима и Н. Хаякава, Напряжение начала частичного разряда при импульсном напряжении инвертора с учетом взаимодействия факторов окружающей среды.IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, том 140, № 7, стр. 349-356, 2020. https://doi.org/10.1541/ieejfms.140.349
8. Разработка высокоемкостных и высоковольтных многослойных керамических конденсаторов BME X7R.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS USA 2011), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf .
9. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
10. IEC 60664-1:2020+AMD1:2025 CSV, Координация изоляции оборудования в низковольтных системах электроснабжения – Часть 1: Принципы, требования и испытания, Изд. 3.1. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2025.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com