의료용 DC/DC 컨버터

의료용(Medical grade) DC/DC 컨버터의 수요가 증가하면서 최근 의료용 DC/DC 컨버터라는 용어가 개발자들에게 많이 사용되기 시작했습니다. 그러나 이 용어의 의미를 바르게 알고 사용하기 보다는 잘못 이해되어 사용되는 경우가 있습니다.

의료용으로 적합한 DC/DC 컨버터는 실제로 어떤 특별한 요구사항이 있을까요? 간단해 보이지만 쉽게 답변하기 어려운 이 질문에 대한 대답은 아마도 의료용 기기를 개발 및 생산하는 업체의 기술자들이 더욱 잘 알고 있을 것입니다. 왜냐하면 적용하고자 하는 용도에 따라서 요구 조건과 제한 사항이 많이 다르기 때문입니다. 따라서 리콤(RECOM)에서는 의료용 DC/DC 컨버터는 어떤 조건이 필요한지에 관해서 기본적인 몇 가지의 가이드라인을 다음과 같이 제시합니다.

 

아이솔레이션 (Isolation - the yardstick by which all things are measured)

의료용으로 사용하기 위한 DC/DC 컨버터의 가장 중요하고 필수적인 핵심 사양은 입력과 출력간의 갈바닉(galvanic) 분리가 안전한 레벨까지 충분히 보장되어 있는가 하는 것입니다.

즉, 아이솔레이션 전압이 높을수록 의료용으로 사용하기에 적합한 제품이라는 것이며 이러한 아이솔레이션 능력은 컨버터 내부의 입력과 출력 사이의 물리적인 분리 상태 그리고 입력과 출력권선 사이의 전기적인 스트레스를 견디는 트랜스포머의 아이솔레이션 능력에 따라 결정이 됩니다. 따라서 의료용으로 적합한 DC/DC 컨버터는 트랜스포머의 설계와 컨버터 내부 구조에 따라서 달라지므로 이 두 가지 요소가 의료용으로 적합한지 여부를 결정하는 가장 중요한 요인이 됩니다.

최근 의료용 DC/DC 컨버터의 기준 조건이 점차 까다로워지는 것은 놀라울 정도로 제한된 공간에 더 많은 회로를 구성해야 하는 제품의 초소형화라는 필요조건과의 차이를 줄여주는 중요한 다리 역할을 하는 컨버터가 필요하기 때문이며 이러한 이유들이 의료용 DC/DC 컨버터를 사용량을 증가시키는 중요한 요인이 되고 있습니다.

 

고압의 아이솔레이션 조건을 만족시키기 위해서 가장 간편하고 일반적으로 적용되는 솔루션은 래커(Lacquer) 코팅을 가능한 두껍게 하거나 래커를 다층으로 코팅하는 것입니다.

하지만, 의료용 DC/DC 컨버터의 초소형화 추세에 따라서 이러한 방법은 더 이상 적용이 불가능합니다. 왜냐하면 DC/DC 컨버터를 소형화 하게 되면 입력과 출력 권선의 사용에 제한이 따르게 되며 결과적으로 공간을 절약하기 위해서 코일에 상처를 주기 때문입니다. 어찌되었건 비용을 절약하기 위해서는 작은 토로이달 트랜스포머에 매우 단단히 코일을 감아서 래커 코팅의 두께를 얇게 하는 방법이 있습니다. 그러나 이 경우 와이어를 감는 과정에서의 스트레스에 의해서 코일에 손상이 발생할 수 있으며 이것으로 인해 아이솔레이션 신뢰도가 떨어지게 됩니다. 이러한 구성 방식으로 4kVDC/1second 까지의 아이솔레이션이 가능하며 이를 다르게 환산하면 이 제품이 연속적인 1.8kVDC 전압까지 견딜 수 있다는 것을 의미합니다.

 

Figure 1: 4kVDC/1 Second 의 아이솔레이션을 위한 간단한 DC/DC 트랜스포머 구성

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의료용 DC/DC 컨버터는 신뢰도 높은 아이솔레이션 능력이 필요하며 이러한 필요를 충족하기 위해서는 소형이면서도 4kVDC/ 1 second 보다 높은 아이솔레이션 전압이 가능해야 합니다. 예를들어 리콤의 RP 패밀리 (5.2kVDC/1 second), RxxPxx 및 RxxP2xx (6.5kVDC/1 second에 해당하는5.2kVDC/1 minute 아이솔레이션 특성을 가진 컨버터), 그리고 소형 케이스에 내장되어 있으면서도 6kVDC/1 second 아이솔레이션 특징을 가진 제품인 RV-xxxx 를 포함해서 각각 다른 기술을 이용해서 고압의 아이솔레이션 특성을 가지게 할 수 있다.

리콤은 두 개의 트랜스포머를 사용하는 몇 개 안되는 업체 중에 한 곳입니다. 각각의 권선은 트랜스포머에 분리되어 감겨지므로 아이솔레이션 신뢰도가 단지 래커의 두께에 의한 것이 아니라 와이어 간의 물리적인 격리에 의해서 한층 높아지게 됩니다.구체적으로 보면 두 개의 다른 기술이 적용될 수 있습니다. 두 가지 분리 방법 모두 세퍼레이션 브리지( Separation Bridge, 그림 2a 참조) 방식을 이용하거나 또는 권선을 직접 토로이달 커넬에 감은 후 이것을 비전도체인 고리모양의 플라스틱 폿에 넣고 두껑으로 차단해서 트랜스포머 코어와 주 권선이 완전이 케이스에 들어가도록 하는 폿 방식 (Pot-System)을 이용하는 것입니다. 이차 권선은 이 전체 구조( 그림 2b 참조)의 주변에 환상으로 감아야 하며 이 방식은 기계작업이 불가능하기 때문에 비용이 많이 수반되는 매우 숙련된 작업 이 필요한 방식이지만 신뢰도 높은 소형 컨버터를 제작하기에는 매우 훌륭한 방식입니다.

Figure 2: 두 개의 챔버 시스템, Separation Bridge 또는 Pot-System (내부 코어로 연결된 선은 우측하단에 케이스속에 감추어진 트랜스포머로 연결되어 있음).

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세퍼레이션 브리지나 폿 시스템 솔루션은 뛰어난 변환 효율을 나타냅니다. 그리고 이러한 방식의 가장 중요한 장점은 아이솔레이션 강도가 단지 래커의 두께에 의해서 결정되지 않는 다는 것입니다. 게다가 두께가 얇은 선에 상대적으로 조금 단단한 래커를 사용하게 되면 손으로 권선을 감는 과정에서 발생할 수 있는 작업자의 부주의에 의한 실수를 근본적으로 감소시킬 수 있으며 이에 따라 고품질의 제품 생산은 물론 일관된 품질의 제품 생산을 보장하는 이유가 됩니다. 물론 의료용 분야에서는 효율이 가장 중요한 판단 기준은 아니지만 효율이 증가하게 되며 게다가 입력과 출력의 커플링 커패시턴스(모든 트랜스포머의 와류 특성)가 특별히 낮은 수치인 4pF 으로 현저히 줄어들게 됩니다.

 

이러한 두 가지 트랜스포머 구성 기술은 비 정류 1W 또는 2W DC/DC 컨버터에 가장 자주 사용되어집니다. 그리고 3W 또는 그 이상의 컨버터를 생산하는 경우에는 통상적으로 기계로 권선을 감을 수 있도록 더 크거나 강한 트랜스포머를 사용하게 됩니다.

 

케이스는 비록 최소한 세 가지의 다른 핀아웃 구성이 필요하지만 통상적인 산업 기준인 DIP24 정도로 커져야합니다. 이러한 고압의 컨버터의 경우 트랜스포머는 토로이달 코어를 사용하지 않고 특별히 제작된 보빈 타입의 디자인을 적용하며 코일의 직경도 넓어지게 됩니다.

결과적으로 이런 방식을 적용하는 경우에는 와이어에 압력이 가해지거나 와이어 절연의 파손 없이 다층의 권선은 제작이 가능하며 이것은 1차 권선과 2차 권선 간의 절연을 위한 절연 테이프나 호일을 사용하지 않고 컨버터 제작이 가능하다는 것을 의미합니다. 단, 절연 조건이 1분간 4kVAC 또는 1초간 8kVDC 를 초과하는 경우에는 절연을 위한 호일을 사용하게 됩니다.

 

Figure 3: 보빈 (Bobbin-type)의 기계로 권선을 감은 트랜스포머 DC/DC 컨버터 구성.

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제품의 데이터시트나 인증서가 제품의 사양을 보장하는가?

데이터쉬트에 명기되어 있는 정보들은 가끔 테스트 조건과 관련된 정확한 정보를 제공하지 않아서 사용자들이 내용을 잘못 이해하게 되는 경우가 있습니다. 그러나 리콤의 데이터쉬트는 컨버터 타입에 따라서 1 초 또는 1분간 견딜 수 있는 제품이라고 명확히 명기되어 있으므로 쉽게 확인이 가능합니다. 게다가 리콤에서 생산하는 모든 DC/DC 컨버터는 생산과정에서 최소한 두 번 이상 테스트를 거치게 되므로 리콤의 데이터쉬트에 명기된 수치는 최소의 수치이며 100% 보장이 되는 수치입니다.

예를들어 리콤의 3kVDC/1초 제품은 교류 웨이브폼에 의한 아이솔레이션 장벽에 주어지는 별도의 압력 때문에 1.5kVAC/1분 조건을 만족시키게 됩니다.

 

제조사의 자체검사 결과는 문제의 소지가 있을 수 있으므로 외부 검사 기관의 올바를 테스트가 필요하게 됩니다. 그러나 이 경우에도 사양서를 주위 깊게 읽어보아야 합니다. 예를들어 만일 어떤 컨버터가 일정한 기준에 적합하다는 “designed to meet" 라고 되어 있으면 이것으로 일정 기준을 만족했다고 볼 수 없습니다. 이러한 문구는 이 컨버터가 단지 관계된 기준에 부합하도록 제작되었다는 것을 의미하는 것이기 때문입니다.

이전에 “1차와 2차 권선 사이에 분리가 필요 없음” 이라는 간결한 테스트 결과 본적이 있습니다. 결과적으로 아이솔레이션이 필요 없다는 것입니다. 그러나 이것은 제조사에서 요청한 조건인 갈바닉 아이솔레이션이 필요 없는 즉 위험한 전압을 발생시키지 않는 Safe extra low voltage (SELV)를 전제 조건으로 테스트한 것이기 때문에 결과적으로는 인증으로서의 의미 없는 결과 값을 공식 문서에 표기하게 된 것입니다. 그리고 이러한 결과는 놀랍게도 권위 있고 독립적인 검사기관에서 이루어졌던 일이었습니다.의료용 기기에 사용을 위한 안전 규격으로는 주로 EN-60601-1 또는 UL-60601-1 이 적용되고 있으므로, 현재 대부분의 DC/DC 컨버터 생산자들이 인증에 적용하고 있는 EN-60950 또는 UL-60950 기준은 의료용으로 적합하지 않는 기준이 되어가고 있다.

 

제조사에서 명확하고 모호하지 않은 정보를 제공해서 제품 사용자들이 상기 언급한 내용과 같은 오류에 빠지지 않게 할 것인가?

검사를 위한 인증서들이 제공되며 인증서의 테스트 결과가 실증 테스트 결과와 동일한가?

이러한 질문들이 특히 의료용 제품을 디자인 하는 경우에는 반드시 확인되어야하는 결정적인 질문들입니다.

 

기타 결정적인 사항들

의료용으로 사용되는 DC/DC 컨버터에서 아이솔레이션 다음으로 중요한 사양은 동작온도 범위입니다. 동작온도에 관한 일반적인 정의는 컨버터가 강제적으로 온도를 내리기 위한 팬을 사용하지 않고 동작하는 온도 그리고 저온시 컨버터를 예열하는 히팅패드를 사용하지 않고 동작하는 주변(Ambient) 온도 범위라고 할 수 있습니다. 내부적인 파워 손실이 적은 효율적인 컨버터는 고온에서 과열되지 않으면서 동작을 하게 됩니다. 그리고 잘 디자인된 컨버터는 매우 낮은 온도에서도 안전하게 기동을 하게 됩니다. 이러한 두 가지 요인을 결합해 분석해 보면, 최대 부하 조건에서 어느 온도범위 이상까지 컨버터가 동작을 할 것인지 그리고 컨버터에 의해서 발생되는 내부 발열을 보상해주기 위해서는 부하를 얼마만큼 감소시켜야 최고 온도의 보상이 가능한지를 보여주는 감소 그래프를 얻을 수 있다.

 

고압의 컨버터인 경우 전력밀도가 증가함에 따라서 적절한 환기를 위한 보드상의 공간의 필요합니다. 그러므로 컨버터가 실장된 회로 사이로 적절히 통기되도록 주위 깊게 제어될 필요가 있습니다.

 

저가로 제품을 제조하는 업체들의 경우 주변온도(Ambient)에 비해서 상대적으로 10-15°C 정도 더 높게 표시되는 케이스 온도를 사용하기도 하며 어떤 경우에는 케이스의 0.01mm 위의 온도(자연 환기 조건을 무시)를 주변온도로 표시해서 상대적으로 온도를 높게 표시하거나 심한 경우에는 팬을 이용해서 강제 환기를 시키는 조건에서의 온도를 표시해서 사용자들이 잘못 제품을 이해하도록 만드는 경우도 있으므로 개발자들은 온도와 관련된 제품 사양을 주의 깊게 확인해야합니다. 왜냐하면 의료용으로 사용되는 DC/DC 컨버터가 자동차용으로 사용되는 것들보다는 엄격한 기준을 제시하고 있지는 않지만 그래도 동작온도 범위가 넓은 것은 이 컨버터가 얼마나 잘 설계되고 제조되었는지를 알려주는 중요한 자료가 되기 때문입니다.

 

1W 또는 2W 정도의 의료용 컨버터는 정확한 전압 출력보다 아이솔레이션과 사이즈가 더 중요한 분야이므로 비 정류 방식의 컨버터가 주로 사용됩니다. 그럼에도 불구하고 대부분의 비 정류 컨버터는 내장 숏서킷 보호 기능이 없을 것으로 간과하는 경우가 많이 있습니다.

 

만일 컨버터 출력이 우연히 숏 서킷 되면 컨버터는 제어기능이 없기 때문에 컨버터가 파손되게 됩니다. 과부하 상태나 회로가 숏트된 경우 셧다운 시키는 피드백 루프가 없으므로 컨버터가 파손되는 것입니다. 리콤은 이러한 문제를 해결하기 위해 간단하면서도 정밀한 솔루션을 발견했으며, 비 정류 컨버터 제품에 “/P” 옵션이 붙은 컨버터들에는 이 방식이 적용되어서 숏서킷 상태에서도 컨트롤러가 손상을 받지 않도록 했습니다. 이러한 보호기능은 주로 원격 센서를 사용하는 경우 그리고 외부의 모듈과 케이블로 연결되어 제품을 설계하는 회로 디자이너들에게 이러한 저전력의 보호기능이 있는 제품들은 매우 유용하게 사용되어 질 수 있습니다.

 

고전력 컨버터들은 통상적으로 숏서킷 보호기능이 적용되어 있습니다. 컨버터를 보호하기 위해서 숏서킷 상태가 되면 내부적인 피드백 루프에 의해서 전류의 폴드백 기능이 작동됩니다.

 

결론적으로 의료용으로 사용되는 DC/DC 컨버터들은 안전 기준을 만족시켜야 함은 물론 문서화된 자료가 제공되어야 한고 독자적이며 권위 있는 검증 기관의 인증을 거친 제품이어야 합니다. 또한 제조사의 기술 지원도 사용자에게는 매우 중요한 요소가 됩니다.

의료용 DC/DC 컨버터로서의 자격 조건은 산업용이나 일반적인 전력변환 시스템 보다는 한층 고품질의 제품이 필요합니다. 따라서 적절한 사양의 제품에서부터 관련 문서의 제공 그리고 경험에 의한 다양한 기술지원 등의 여러 조건이 패키지로 제공되어야 좋은 결과를 얻을 수 있습니다.

 

Christian Haudum and Steve Roberts
Recom Technical Support
Austria