I dispositivi elettronici per uso medico stanno diventando sempre più compatti. Certamente, questo può essere affermato per tutti i dispositivi elettronici, ma è soprattutto in ambito medicale che la pressione per ridurre le dimensioni e il peso dei dispositivi elettronici si fa maggiore. Non solo lo spazio a fianco del letto è molto limitato, ma si avverte la tendenza a utilizzare maggiormente i dispositivi a casa, negli studi medici e persino nelle automobili o sugli aeroplani. Tutto ciò sta generando una particolare sollecitazione ai produttori di alimentatori per ridurre le dimensioni dei loro prodotti. Negli ultimi 10 anni, un tipico alimentatore AC/DC da 100 W con sistema di raffreddamento a convezione naturale , ha ridotto le sue dimensioni da 10,16 x 17,78 cm a soli 5,08 x 10,16 cm, una riduzione di più del 70%. La riduzione della dimensione deve tuttavia essere gestita con cura, in quanto implica una riduzione dell'area per la dissipazione del calore, che a sua volta necessita di un'efficienza maggiore.
Dimensioni ed efficienza
Grazie a misurazioni empiriche e previsioni, è possibile stimare il valore della perdita massima di potenza che un alimentatore con supporto su telaio o open frame può dissipare dato un determinato footprint. I dati si basano sull'uso di sistemi di raffreddamento a convezione naturale e in conformità con i requisiti di sicurezza standard. I dati, inoltre, tengono conto di limiti accettabili di affidabilità e di limiti ragionevoli di vita operatività. Da notare che il sistema di raffreddamento ad aria forzata può migliorare considerevolmente il range di potenza, ma a spese dell'affidabilità che risulta inferiore: le ventole sono fondamentalmente meno affidabili in confronto agli altri componenti del sistema e se utilizzate, bisogna tenere in conto la loro dimensione e il rumore. Il rumore delle ventole è infatti poco desiderato nei dispositivi medicali.
La perdita di potenza si traduce in una richiesta di efficienza. Per esempio, considerando un footprint industriale standard di 22,8 x 12,7 cm, il sistema di raffreddamento può rimuovere efficacemente circa 18 W di calore da dissipare. Considerando la perdita di 20 W dalla curva indicante la perdita di potenza, un alimentatore da 120 W deve essere efficiente per almeno l'86% affinché il sistema di raffreddamento sia sufficiente.
Un relativamente piccolo miglioramento dell'efficienza può avere un effetto vertiginoso sulla potenza disponibile da un alimentatore per una data dissipazione del calore. Considerando la curva della perdita di potenza da 20 W, un aumento di efficienza dall'88% al 93% permetterebbe all'alimentatore di erogare più di 250 W, piuttosto che meno di circa 150 W, all'interno di un dato footprint. Per i progettisti di alimentatori, la dimensione e l'efficienza sono i trade-off più importanti. L'aumento della frequenza di commutazione comporta la possibilità di utilizzare componenti più piccoli, specialmente condensatori e induttori. Tuttavia, le perdite in commutazione aumentano e l'alimentatore che può essere efficiente per il 92% a 30 kHz, sarà efficiente solo per l'83% a 200 kHz. L'affidabilità è di suprema importanza nei dispositivi medicali, perciò è sempre auspicabile mantenere il dispositivo ben funzionante all'interno dei suoi massimi livelli. Infine, il costo è una determinante sempre presente per l'idoneità di un alimentatore ad una data applicazione.
Tecniche per gestire i trade off della progettazione
Nonostante le sostanziali riduzioni delle dimensioni degli apparecchi negli ultimi decenni, nessun miglioramento nella progettazione lo ha reso possibile. Al contrario, una combinazione di piccoli miglioramenti sia nelle tecniche di progettazione che nelle componenti tecnologiche, si sono unite per creare il risultato finale. Considerando l'alimentatore dall'ingresso all'uscita , questi sono alcuni approcci di progettazione che sono attualmente adottati.
Filtri di ingresso a due stadi utilizzano nuclei altamente permeabili per ridurre la dimensione e contemporaneamente forniscono un alto filtro di modo comune e una riduzione differenziale del rumore. Possono essere realizzati footprint più piccoli impilando verticalmente i componenti. Questo può inoltre migliorare il raffreddamento grazie ad una migliore circolazione dell'aria. L'utilizzo di diodi di carburo di silicone nei circuiti di correzione di potenza è diventato economico in molti alimentatori. Questi circuiti non hanno bisogno di circuiti snubber, riducendo così il numero di componenti e guadagnando spazio, aumentando allo stesso tempo l'efficienza dell'1%. La topologia principale dei convertitori è essenziale per l'efficienza. Per gli alimentatori da 100 a 200 W, viene spesso scelta una topologia risonante. Questo può eliminare virtualmente la perdita in frequenza di commutazione, permettendo l'uso di dissipatori termici più piccoli, contribuendo così al raggiungimento dei due obiettivi primari della progettazione: le dimensioni ridotte e una maggiore efficienza. In alcuni casi, dissipatori termici di ceramica possono essere utilizzati al posto di quelli metallici. Ciò porta al una diminuzione del rumore in quanto i dissipatori termici non sono soggetti ad accoppiamento capacitivo con le connessioni di drenaggio dei transistor Mos (metallo-ossido-semiconduttore). Possono essere usati perciò filtri semplici. Un ulteriore vantaggio dei dissipatori termici ceramici è che può essere utilizzata una minore distanza di dispersione, in confronto a quelle di cui ha bisogno un dissipatore termico di metallo; in questo modo è possibile ottenere un ulteriore risparmio di spazio. La diminuzione del prezzo dei transistor Mos li ha resi più comuni dei diodi nei principali rettificatori degli alimentatori switching. Sono possibili miglioramenti dell'efficienza di più del 40% in questa parte del circuito. Per esempio, un diodo da 20 A con 0,5 V di voltaggio, dissipa 10 W, mentre un transistor Mos con una resistenza “on” di, diciamo, 14 Ω a 100 C° dissipa solo 5,6 W. Ancora una volta i dissipatori ceramici risultano più vantaggiosi. Infine, negli ultimi anni i circuiti di controllo sono stati ampliamente semplificati, in gran parte attraverso una maggiore integrazione di funzioni nei semiconduttori. Specifici chip per ogni applicazione sono ora disponibili e possono fornire tensione al principale convertitore e hanno inoltre caratteristiche di protezione automatica. Segnali completi di monitoraggio e controllo, sono inoltre implementati grazie a dispositivi di gestione della potenza altamente integrati.
Quanto possono diventare compatti?
L'alimentatore ECM140 di XP Power è compatto ed efficiente. Ha un footprint di 7,62 x 12,7 cm, una potenza di 120 W con sistema di raffreddamento a convezione naturale o 148 W con raffreddamento ad aria forzata. È disponibile un'uscita a 12 Vdc per alimentare una ventola che ha un'efficienza tipica dell'88%. Più avanti nel tempo, alimentatori switching AC/DC con approvazione medicali raggiungeranno un livello di efficienza di oltre il 90%. Questo permetterà una riduzione delle dimensioni delle unità con sistema di raffreddamento a convezione naturale da 250 W a un footprint di 15, 24 x 10,16 cm.
