Những thách thức trong thiết kế nguồn điện tử y tế và yêu cầu sản phẩm cuộn cảm

Thiết bị điện tử y tế hỗ trợ việc phòng ngừa, chẩn đoán, điều trị và theo dõi bệnh tật, đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe. Do liên quan đến an toàn tính mạng, thiết bị y tế đặt ra các yêu cầu cực kỳ nghiêm ngặt đối với hệ thống nguồn, đòi hỏi phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn y tế khắt khe, cũng như độ tin cậy cao, độ ồn cực thấp, cấu trúc nhỏ gọn và chắc chắn, cùng khả năng thích nghi môi trường vượt trội.

1- Các thách thức trong thiết kế nguồn điện tử y tế

Vì các thiết bị y tế phụ thuộc nhiều vào các hệ thống điện tử phức tạp, chúng cũng gặp phải nhiều vấn đề phổ biến đối với các mạch điện tử, chẳng hạn như tổn thất linh kiện, nhiễu tín hiệu điện và ảnh hưởng của các tác động từ môi trường. Ngoài ra, các thiết bị y tế còn phải giải quyết những thách thức đặc thù trong lĩnh vực y tế, ví dụ như tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn thiết bị y tế nghiêm ngặt, đáp ứng IEC60601 và các tiêu chuẩn an toàn y tế khác, thỏa mãn yêu cầu khử trùng thiết bị, đồng thời đảm bảo độ tin cậy liên tục cao trong các ứng dụng cấp cứu đe dọa tính mạng.

1.1 Thách thức về Điện

Việc tích hợp các hệ thống điện vào thiết bị y tế đặt ra những thách thức điện học đặc thù mà các thiết bị điện tử thông thường không gặp phải. Độ tin cậy cao và khả năng sẵn sàng liên tục là yếu tố then chốt, vì nhiều thiết bị y tế yêu cầu hoạt động không ngừng 24/7 và không thể chấp nhận thời gian ngừng hoạt động bất ngờ, đặc biệt trong các tình huống ứng dụng y tế hỗ trợ sự sống hoặc các nhiệm vụ quan trọng. Đối với các ứng dụng liên quan đến tính mạng, nguồn điện dự phòng là yếu tố thiết yếu, đòi hỏi khả năng chuyển đổi tức thì sang pin hoặc nguồn điện liên tục (UPS) để ngăn chặn gián đoạn hoạt động.

1.2 Thách thức Cơ học

Để đảm bảo thiết kế nguồn điện gọn nhẹ và bền bỉ trong không gian nội bộ hạn chế mà không làm giảm hiệu suất hay độ an toàn, các hệ thống nguồn cho thiết bị y tế cũng phải đối mặt với những thách thức về thiết kế cơ khí. Trong các thiết bị y tế di động và đeo được, việc giảm trọng lượng là yếu tố then chốt nhằm cải thiện tính dễ sử dụng, giảm mệt mỏi và đảm bảo khả năng di chuyển cho bệnh nhân. Do đó, xu hướng thu nhỏ kích thước hệ thống nguồn là điều tất yếu.

Quản lý tản nhiệt là một yếu tố quan trọng khác cần xem xét, vì các vỏ bọc nhỏ có thể tích tụ nhiệt, cần được tản nhiệt an toàn mà không làm tăng độ ồn, gây rủi ro hỏng linh kiện hoặc gây khó chịu cho bệnh nhân.

1.3 Thách thức về Môi trường

Các hệ thống nguồn trong thiết bị y tế phải hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau. Điều này bao gồm khả năng chịu được các mức nhiệt độ và độ ẩm khác nhau, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất thiết bị và tuổi thọ linh kiện. Đối với các thiết bị di động, dùng tại hiện trường hoặc trong trường hợp khẩn cấp, khả năng chịu được rung động, va chạm cơ học và sốc trong vận hành cũng rất quan trọng để đảm bảo nguồn điện ổn định và ngăn ngừa hư hại bên trong.

1.4 Tiêu chuẩn An toàn

Các bộ nguồn y tế phải tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế như IEC 60601-1, quy định các yêu cầu chung về an toàn và hiệu suất cơ bản đối với thiết bị điện y tế. Tiêu chuẩn này bao gồm nhiều thách thức điện, như cách ly, giới hạn dòng rò và khả năng chịu lỗi, đồng thời đòi hỏi độ bền cơ học và độ ổn định trong điều kiện môi trường. Các tiêu chuẩn bổ trợ như IEC 60601-1-2 đề cập đến các yêu cầu về tương thích điện từ (EMC), đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định mà không tạo ra hoặc bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ (EMI).

2- Chính Ứng dụng và Yêu cầu của Cuộn cảm trong Các Bộ nguồn Y tế

Cuộn cảm đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị điện tử y tế, trong đó quản lý nguồn là ứng dụng cơ bản và quan trọng nhất. Các ứng dụng chủ yếu bao gồm:

2.1 Bộ nguồn chuyển mạch và Bộ chuyển đổi DC-DC: Cuộn cảm là các thành phần cốt lõi của nguồn điện chuyển mạch, hoạt động cùng với các transistor chuyển mạch và tụ điện để lưu trữ năng lượng, lọc tín hiệu và chuyển đổi điện áp. Dù là trong nguồn chính của các thiết bị hình ảnh lớn (như CT, MRI) hay trong các mạch quản lý pin của thiết bị di động (như máy theo dõi, bơm tiêm truyền), cuộn cảm công suất đều không thể thiếu. Chúng chuyển đổi hiệu quả dòng điện xoay chiều thành các điện áp một chiều khác nhau mà thiết bị yêu cầu hoặc thực hiện chức năng tăng áp và giảm áp điện áp một chiều.

Sơ đồ khối ứng dụng nguồn điện trong thiết bị y tế

2.2 Lọc nhiễu và Tương thích điện từ: Thiết bị y tế rất nhạy cảm với nhiễu điện từ (EMI), và nhiễu do chính các thiết bị này tạo ra không được phép gây ảnh hưởng đến các thiết bị khác. Các hạt từ tính và cuộn cảm chế độ chung được sử dụng rộng rãi ở đầu vào nguồn và các nút mạch quan trọng để lọc nhiễu tần số cao, đảm bảo thiết bị đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về tương thích điện từ (EMC) (ví dụ như IEC 60601-1-2).

Do đặc thù của tình huống ứng dụng, các cuộn cảm dùng trong nguồn thiết bị y tế có yêu cầu về hiệu suất điện cao hơn so với các cuộn cảm thông thường dùng trong thiết bị tiêu dùng. Các yêu cầu này chủ yếu thể hiện ở những khía cạnh sau:

◾ Độ tin cậy cao: Thiết bị y tế liên quan đến an toàn tính mạng và phải được đảm bảo hoạt động ổn định trong suốt vòng đời của thiết bị, do đó đòi hỏi tỷ lệ hỏng hóc cực kỳ thấp.

◾ Tiếng ồn thấp: Thiết kế ít nhiễu nhằm ngăn ngừa nhiễu nguồn ảnh hưởng đến các mạch tương tự nhạy cảm bên trong (ví dụ như bộ khuếch đại ECG, EEG, v.v.)

◾ Hiệu suất cao: Sử dụng các vật liệu lõi từ có tổn hao thấp để giảm tổn thất và sinh nhiệt ở cuộn cảm, đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị cấy ghép và thiết bị di động, giúp kéo dài tuổi thọ pin.

◾ Cấu trúc chắn từ: Sử dụng các cuộn cảm có cấu trúc chắn từ để ngăn rò rỉ trường từ của các linh kiện khác nhau trong thiết bị y tế, tránh gây nhiễu cho các mạch hoặc thiết bị xung quanh.

◾ Tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn: Các cuộn cảm (đặc biệt là biến áp cách ly) phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn y tế, đảm bảo khoảng cách rò điện và khe hở cách điện đủ lớn.

Tóm lại, cuộn cảm chính là "trái tim" và "bộ lọc" của hệ thống nguồn trong thiết bị y tế, chịu trách nhiệm chuyển đổi năng lượng hiệu quả đồng thời đảm bảo độ tinh khiết và an toàn của nguồn điện. Chúng là thành phần cốt lõi không thể thiếu nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn cao và yêu cầu nghiêm ngặt của thiết bị y tế.

3- Các giải pháp cuộn cảm cho nguồn điện tử y tế

Như đã đề cập ở trên, cuộn cảm đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống nguồn y tế và phải đáp ứng các yêu cầu cao của thiết bị nguồn y tế. Do đó, khi lựa chọn sản phẩm, cần xem xét các yếu tố như độ tin cậy cao, độ ồn thấp, hiệu suất cao và khả năng chống nhiễu EMI.

Là nhà cung cấp hàng đầu các linh kiện từ tính trong ngành công nghiệp, Codaca đã dành hơn 24 năm cho nghiên cứu và phát triển vật liệu lõi từ, thiết kế và tối ưu hóa cuộn dây và cuộn cảm. Thông qua việc hợp tác chặt chẽ với các kỹ sư nguồn y tế, Codaca cung cấp các sản phẩm có giá trị cao cho lĩnh vực điện tử y tế và hỗ trợ kỹ thuật nhằm giúp khách hàng lựa chọn các linh kiện từ tính phù hợp. Codaca tự nghiên cứu và sản xuất độc lập nhiều dòng cuộn cảm, bao gồm máy dẫn điện điện dòng điện cao , cuộn cảm đúc , và choke chế độ thông thường , đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị và bộ phận y tế như máy dò siêu âm, máy phân tích máu, máy thở, máy đo huyết áp và robot phục hồi chức năng.