Kako zmanjšati hrup pri napajanju medicinskih instrumentov preko diod?

一, Sledljivost hrupa: hrupni izziv medicinskega napajanja
Hrup napajanja medicinskih instrumentov prihaja predvsem iz treh dimenzij:

Notranji hrup naprav: temeljni hrup je sestavljen iz udarnega hrupa, toplotnega hrupa in 1/f hrupa močnostnih naprav, kot so diode in MOSFET-ji. Na primer, ko so Schottkyjeve diode obratno prednapete, bosta njihova spojna kapacitivnost in parazitska induktivnost povzročila visoko-frekvenčna nihanja, ki tvorijo vrhove šuma v frekvenčnem območju 0,1–100 MHz.
Preklopni šum: V izoliranih topologijah napajanja, kot sta flyback in LLC, lahko povratni proces obnovitve močnostnih diod povzroči močne elektromagnetne motnje (EMI). Če za primer vzamemo napajalnik določenega medicinskega defibrilatorja, lahko njegova izhodna usmerniška dioda ustvari napetostne konice do 50 V/ns med vzvratno obnovitvijo, kar ima za posledico izhodno valovanje do 200 mV.
Prevedene motnje: Prenapetost, elektrostatična razelektritev (ESD) in drugi dogodki na vhodnem koncu električnega omrežja bodo odvedeni v notranjost opreme prek električnega voda. Standard IEC 60601-1 zahteva, da medicinska oprema nadzoruje tok uhajanja pomožnih tokokrogov pacienta znotraj 10 μA med testiranjem kontaktnega toka, kar nalaga stroge zahteve glede dušenja hrupa sprednjega dela napajalnika.
2, Tehnološka matrika za zmanjšanje šuma diode
1. Optimizacija funkcije povratne obnovitve
V izoliranih pretvornikih DC-DC lahko uporaba diod za hitro obnovitev (FRD) ali Schottkyjevih diod iz silicijevega karbida (SiC) znatno zmanjša preklopni šum. Na primer, v prenosnem ultrazvočnem diagnostičnem napajalniku, ki nadomešča tradicionalno silicijevo -ultrafast recovery diode (UFRD) s SiC Schottky diodo:

Čas povratne obnovitve zmanjšan s 35 ns na 5 ns
Izhodno valovanje se je zmanjšalo s 150 mV na 45 mV
Učinkovitost se je povečala za 3,2 odstotne točke
Zaradi visoke kritične prebojne poljske jakosti (3MV/cm) SiC diod so bolj ugodne pri visoko-napetostnih aplikacijah. V generatorju visoke-rentgenske{4}}napetosti medicinskih CT strojev lahko uporaba 650 V SiC Schottkyjevega diodnega niza zmanjša povratno izgubo za 80 % in doseže stabilnost izhodne napetosti ± 0,01 %.

2. Niz diod za dušenje šuma
Za-zadušitev visokofrekvenčnega hrupa je mogoče izdelati vmesno omrežje diodnega kondenzatorskega upora (DCR). V določenem napajalniku nevronskega stimulatorja za vsaditev je 10 Ω/100pF RC vmesni tokokrog vzporedno povezan preko izhodne usmerniške diode:

Zadušena visokofrekvenčna-nihanja nad 10MHz
Zmanjšajte gostoto izhodnega šuma s 15nV/√ Hz na 3nV/√ Hz
Izpolnjujte zahteve standarda IEC 60601-1 za elektromagnetno združljivost naprav za vsaditev
Naprednejša rešitev je uporaba integriranega modula za dušenje hrupa. Na primer, niz diod serije TLN201, ki ga je lansiralo podjetje Tianling Arrow Company, lahko doseže:

8kV zaščita pred strelo
100dB EMI dušenje
0,1 μ A nadzor toka uhajanja
3. Tehnologija izolacije optoelektronske sklopke
V medicinskih napajalnikih, ki zahtevajo električno izolacijo, lahko kombinacija svetlečih diod (LED) in fotodiod v optičnih sklopnikih doseže popolno izolacijo med signali in napajalniki. Če za primer vzamemo izolirano napajanje določenega medicinskega monitorja:

Prevzem optičnega sklopnika Avago HCPL-0631
Izolacijska napetost do 5kVrms
Razmerje zavrnitve skupnega načina (CMRR) se je povečalo na 120 dB
Kontrolirajte tok uhajanja na vhodnih in izhodnih sponkah znotraj 0,1 μA
Novi digitalni izolator nadalje prebija omejitev pasovne širine tradicionalnih optičnih sklopnikov. ADI-jev izolator ADuM5401 uporablja tehnologijo magnetne sklopke za doseganje izolacije 5 kV, medtem ko podpira hitrost prenosa podatkov 2 Mbps, pri čemer je poraba energije zmanjšana za 60 % v primerjavi s tradicionalnimi optičnimi spojniki.

3, Analiza tipičnega scenarija uporabe
1. Prenosne medicinske naprave
V napravah z baterijskim napajanjem, kot so merilniki glukoze v krvi in ​​prenosni ultrazvok, mora diodno zmanjšanje hrupa uravnotežiti učinkovitost in prostor. Določen prstni oksimeter ima naslednjo shemo:

Vhodni terminal: SMBJ5.0CA TVS dioda za ESD zaščito (± 15kV kontaktna razelektritev)
Postopek popravljanja: dvojna dioda Schottky BAT54S zmanjša izgubo prevodnosti (VF)= 0.2V@1A )
Izhodna sponka: BAV99 objemna dioda omejuje prenapetost na -0,5 V~3,8 V
Ta rešitev omogoča napravi nadzor izhodnega valovanja znotraj 10 mV in podaljša življenjsko dobo baterije za 20 % pri napajanju baterije 1,8 V.

2. Visoko precizna oprema za medicinsko slikanje
Pri veliki opremi, kot sta MRI in CT, šum napajanja neposredno vpliva na kakovost slike. Določen napajalnik gradientnega ojačevalnika MRI 3,0T uporablja:

Kombinacija SiC MOSFET in SiC Schottky diode
Večnivojsko vmesno omrežje DCR
Zaščitna struktura sendviča iz feritne bakrene folije iz bakrene folije
Uresničite stabilnost izhodne napetosti ± 0,005 % in gradientno valovanje magnetnega polja<0.01%, meeting the requirements of DICOM standard for imaging uniformity.

3. Medicinski pripomočki za vsaditev
V napravah za vsaditev, kot so srčni spodbujevalniki in živčni stimulatorji, mora diodno zmanjšanje hrupa izpolnjevati zahteve glede biokompatibilnosti in ultra-nizke porabe energije. Določeno napajanje nevronskega stimulatorja-z zaprto zanko uporablja:

Fotodioda z nizkim uhajajočim tokom s površinsko pasivizacijo
0402 TVS dioda za ESD zaščito
Dinamično prednapetostno vezje zmanjša statično porabo energije
Podaljšajte življenjsko dobo naprave na več kot 10 let pri napajanju z litij-ionsko baterijo 3,7 V in izpolnjujete standard biokompatibilnosti ISO 10993.