ความท้าทายในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์และข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์อินดักเตอร์

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์สนับสนุนการป้องกัน การวินิจฉัย การรักษา และการติดตามอาการของโรค มีบทบาทสำคัญในด้านการดูแลสุขภาพ เนื่องจากเกี่ยวข้องกับความปลอดภัยของชีวิต อุปกรณ์ทางการแพทย์จึงมีข้อกำหนดที่เข้มงวดอย่างยิ่งต่อระบบจ่ายไฟ จำเป็นต้องปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัยทางการแพทย์ที่เข้มงวด รวมถึงความน่าเชื่อถือสูง เสียงรบกวนต่ำมาก โครงสร้างที่กะทัดรัดและทนทาน และความสามารถในการปรับตัวต่อสิ่งแวดล้อมได้อย่างยอดเยี่ยม

1- ความท้าทายที่พบในการออกแบบระบบจ่ายไฟสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์

เนื่องจากอุปกรณ์ทางการแพทย์พึ่งพาอาศัยระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อน จึงมีปัญหาต่างๆ ที่พบได้ทั่วไปในวงจรไฟฟ้า เช่น การสูญเสียของชิ้นส่วน อิทธิพลจากสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า และผลกระทบจากความเครียดของสิ่งแวดล้อม นอกจากนี้ อุปกรณ์ทางการแพทย์ยังต้องเผชิญกับความท้าทายเฉพาะด้านการแพทย์ เช่น การปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัยของอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่เข้มงวด การปฏิบัติตาม IEC60601 และมาตรฐานความปลอดภัยทางการแพทย์อื่นๆ การตอบสนองต่อข้อกำหนดการฆ่าเชื้ออุปกรณ์ และการรับประกันความต้องการสูงในด้านความน่าเชื่อถืออย่างต่อเนื่องสำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับชีวิต

1.1 ความท้าทายด้านไฟฟ้า

การรวมระบบพลังงานเข้ากับอุปกรณ์ทางการแพทย์มีความท้าทายด้านไฟฟ้าเฉพาะที่ไม่เกิดขึ้นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป ความน่าเชื่อถือสูงและการใช้งานอย่างต่อเนื่องมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากอุปกรณ์ทางการแพทย์หลายชนิดต้องการการดำเนินงานที่ไม่หยุดชะงักตลอด 24/7 และไม่สามารถยอมรับการหยุดทำงานที่ไม่คาดคิดได้ โดยเฉพาะในสถานการณ์การใช้งานทางการแพทย์ที่เกี่ยวข้องกับการช่วยชีวิตหรืองานที่มีความสำคัญเป็นพิเศษ สำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับชีวิต การมีแหล่งจ่ายไฟสำรองเป็นสิ่งจำเป็น ซึ่งต้องสามารถสลับไปยังแบตเตอรี่หรือแหล่งจ่ายไฟสำรอง (UPS) ได้ทันทีเพื่อป้องกันการหยุดชะงักของการดำเนินงาน

1.2 ความท้าทายด้านกลไก

เพื่อให้แน่ใจว่าการออกแบบระบบพลังงานมีขนาดกะทัดรัดและทนทานภายในพื้นที่ภายในที่จำกัด โดยไม่ลดทอนประสิทธิภาพหรือความปลอดภัย ระบบจ่ายพลังงานในอุปกรณ์ทางการแพทย์จึงต้องเผชิญกับความท้าทายด้านการออกแบบเชิงกล ในอุปกรณ์ทางการแพทย์แบบพกพาและแบบสวมใส่ การลดน้ำหนักมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับปรุงการใช้งาน ลดความเมื่อยล้า และรับประกันการเคลื่อนไหวของผู้ป่วย ดังนั้นการลดขนาดของระบบพลังงานจึงเป็นแนวโน้มที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

การจัดการการระบายความร้อนเป็นอีกปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณา เนื่องจากตู้ขนาดเล็กอาจสะสมความร้อน ซึ่งจำเป็นต้องระบายความร้อนออกไปอย่างปลอดภัยโดยไม่เพิ่มระดับเสียงรบกวน ไม่เพิ่มความเสี่ยงต่อการชำรุดของชิ้นส่วน หรือไม่ก่อให้เกิดความไม่สบายแก้ผู้ป่วย

1.3 ความท้าทายด้านสิ่งแวดล้อม

ระบบจ่ายพลังงานในอุปกรณ์ทางการแพทย์จะต้องทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ภายใต้สภาวะแวดล้อมที่หลากหลาย ซึ่งรวมถึงความทนทานต่ออุณหภูมิและความชื้นที่แตกต่างกัน ซึ่งอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์และอายุการใช้งานของชิ้นส่วน สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้งานแบบเคลื่อนที่ อุปกรณ์ที่นำไปใช้ในสนาม หรืออุปกรณ์สำหรับใช้ในกรณีฉุกเฉิน ความสามารถในการทนต่อการสั่นสะเทือน การกระแทกทางกล และแรงกระแทกขณะปฏิบัติการ มีความสำคัญไม่แพ้กัน เพื่อให้มั่นใจว่าแหล่งจ่ายไฟมีความมั่นคงและป้องกันความเสียหายภายใน

1.4 มาตรฐานความปลอดภัย

แหล่งจ่ายไฟทางการแพทย์ต้องสอดคล้องกับมาตรฐานสากล เช่น IEC 60601-1 ซึ่งกำหนดข้อกำหนดทั่วไปด้านความปลอดภัยและประสิทธิภาพพื้นฐานสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าทางการแพทย์ มาตรฐานดังกล่าวครอบคลุมประเด็นด้านไฟฟ้าหลายประการ ได้แก่ การแยกสัญญาณไฟฟ้า การจำกัดกระแสรั่ว และความสามารถในการทนต่อข้อผิดพลาด นอกจากนี้ยังกำหนดให้มีความแข็งแรงทนทานทางกล และความคงทนต่อสภาพแวดล้อม มาตรฐานเสริมอย่าง IEC 60601-1-2 จะเน้นในเรื่องความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) เพื่อให้มั่นใจว่าอุปกรณ์สามารถทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ โดยไม่ก่อให้เกิดการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) หรือไม่ได้รับผลกระทบจากสิ่งดังกล่าว

2- หลัก Applications และข้อกำหนดของหม้อแปลงเหนี่ยวนำในแหล่งจ่ายไฟทางการแพทย์

หม้อแปลงเหนี่ยวนำมีบทบาทสำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์ โดยการจัดการพลังงานไฟฟ้าถือเป็นการประยุกต์ใช้งานที่พื้นฐานและสำคัญที่สุด ซึ่งการประยุกต์ใช้งานส่วนใหญ่รวมถึง:

2.1 แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์ชิ่งและตัวแปลง DC-DC อินดักเตอร์เป็นองค์ประกอบหลักของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง ทำหน้าที่ร่วมกับทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งและตัวเก็บประจุในการจัดเก็บพลังงาน ตัวกรองสัญญาณ และแปลงแรงดัน ไม่ว่าจะเป็นในแหล่งจ่ายไฟหลักของอุปกรณ์ถ่ายภาพขนาดใหญ่ (เช่น CT, MRI) หรือวงจรจัดการแบตเตอรี่ของอุปกรณ์พกพา (เช่น เครื่องตรวจวัด ปั๊มสารน้ำ) อินดักเตอร์กำลังถือเป็นส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้ ซึ่งช่วยแปลงกระแสสลับให้เป็นแรงดันตรงที่หลากหลายตามที่อุปกรณ์ต้องการ หรือทำหน้าที่แปลงแรงดันตรงให้สูงขึ้นหรือต่ำลง

แผนผังแสดงการประยุกต์ใช้แหล่งจ่ายไฟในอุปกรณ์ทางการแพทย์

2.2 การกรองสัญญาณรบกวนและความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า: อุปกรณ์ทางการแพทย์มีความไวต่อสิ่งรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) เป็นอย่างมาก และสัญญาณรบกวนที่เกิดจากอุปกรณ์เองก็ไม่ควรไปรบกวนอุปกรณ์อื่นๆ การใช้เม็ดแม่เหล็ก (Magnetic beads) และตัวเหนี่ยวนำแบบคอมมอนโมด (common-mode inductors) มีการใช้งานอย่างแพร่หลายที่ปลายทางขาเข้าของแหล่งจ่ายไฟและโหนดวงจรสำคัญ เพื่อกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูง ทำให้มั่นใจได้ว่าอุปกรณ์นั้นสอดคล้องกับมาตรฐานความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ที่เข้มงวด (เช่น IEC 60601-1-2)

เนื่องจากลักษณะเฉพาะของสถานการณ์การใช้งาน ตัวเหนี่ยวนำที่ใช้ในแหล่งจ่ายไฟของอุปกรณ์ทางการแพทย์จึงมีข้อกำหนดด้านสมรรถนะไฟฟ้าที่สูงกว่าตัวเหนี่ยวนำทั่วไปสำหรับผู้บริโภค โดยข้อกำหนดเหล่านี้สะท้อนให้เห็นเป็นหลักในด้านต่อไปนี้:

◾ ความน่าเชื่อถือสูง: อุปกรณ์ทางการแพทย์เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยของชีวิต จึงต้องมั่นใจได้ว่าจะทำงานอย่างเสถียรตลอดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ ซึ่งต้องการอัตราการเกิดข้อผิดพลาดที่ต่ำมาก

◾ เสียงเบา: การออกแบบให้มีสัญญาณรบกวนต่ำ เพื่อป้องกันไม่ให้สัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟไปรบกวนวงจรอะนาล็อกภายในที่ไวต่อสัญญาณ (เช่น เครื่องขยายสัญญาณ ECG, EEG เป็นต้น)

◾ ประสิทธิภาพสูง ใช้วัสดุแกนแม่เหล็กที่มีการสูญเสียต่ำเพื่อลดการสูญเสียพลังงานและลดการเกิดความร้อนในขดลวดเหนี่ยวนำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีความสำคัญสำหรับอุปกรณ์ฝังร่างกายและอุปกรณ์พกพา ซึ่งสามารถยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้

◾ โครงสร้างป้องกันแม่เหล็ก: ใช้ขดลวดเหนี่ยวนำที่มีโครงสร้างป้องกันแม่เหล็กเพื่อป้องกันการรั่วของสนามแม่เหล็กจากชิ้นส่วนต่างๆ ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ หลีกเลี่ยงการรบกวนวงจรหรืออุปกรณ์รอบข้าง

◾ การปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัย: ขดลวดเหนี่ยวนำ (โดยเฉพาะหม้อแปลงแยกสัญญาณ) ต้องเป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัยทางการแพทย์ โดยต้องมีระยะทางคลานไฟฟ้าและระยะห่างฉนวนไฟฟ้าที่เพียงพอ

โดยสรุป ขดลวดเหนี่ยวนำคือ "หัวใจ" และ "ตัวกรอง" ของระบบจ่ายไฟในอุปกรณ์ทางการแพทย์ ทำหน้าที่ในการแปลงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ พร้อมทั้งรับประกันความบริสุทธิ์และความปลอดภัยของแหล่งจ่ายไฟ ถือเป็นส่วนประกอบหลักที่ขาดไม่ได้ ซึ่งตอบสนองต่อมาตรฐานสูงและข้อกำหนดที่เข้มงวดของอุปกรณ์ทางการแพทย์

3- โซลูชันขดลวดเหนี่ยวนำสำหรับแหล่งจ่ายไฟอิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์

ดังที่ได้กล่าวมาข้างต้น อินดักเตอร์มีบทบาทสำคัญในระบบแหล่งจ่ายไฟทางการแพทย์ และต้องสอดคล้องกับข้อกำหนดที่เข้มงวดของอุปกรณ์จ่ายไฟสำหรับการแพทย์ ดังนั้นเมื่อเลือกผลิตภัณฑ์ จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น ความน่าเชื่อถือสูง เสียงรบกวนต่ำ ประสิทธิภาพสูง และความสามารถในการต้านทานสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)

ในฐานะผู้จัดจำหน่ายชั้นนำด้านชิ้นส่วนแม่เหล็กในอุตสาหกรรม Codaca ได้ทุ่มเทให้กับงานวิจัยและพัฒนาวัสดุแกนแม่เหล็ก การออกแบบและปรับปรุงสมรรถนะของคอยล์และอินดักเตอร์มากว่า 24 ปี โดยร่วมมืออย่างใกล้ชิดกับวิศวกรด้านแหล่งจ่ายไฟทางการแพทย์ Codaca จึงสามารถจัดหาผลิตภัณฑ์ที่มีคุณค่าสูงให้กับวงการอิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์ พร้อมทั้งให้การสนับสนุนทางเทคนิคเพื่อช่วยลูกค้าในการเลือกชิ้นส่วนแม่เหล็กที่เหมาะสม Codaca พัฒนาและผลิตอินดักเตอร์หลายซีรีส์ด้วยตนเอง รวมถึง อุปกรณ์นํากําลังไฟฟ้ากระแสสูง , อินดักเตอร์แบบหล่อ , และ การหงุดหงิดแบบทั่วไป ซึ่งได้รับการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์และชิ้นส่วนทางการแพทย์ เช่น เครื่องตรวจคลื่นเสียงสะท้อน, เครื่องวิเคราะห์เลือด, เครื่องช่วยหายใจ, เครื่องวัดความดันโลหิต และหุ่นยนต์เพื่อการฟื้นฟูสมรรถภาพ