Как да намалим шума в захранването на медицински инструменти чрез диоди?

一, Проследяемост на шума: Предизвикателството на шума на медицинското захранване
Шумът от захранването на медицински инструменти идва главно от три измерения:

Вътрешен шум на устройства: Фундаменталният шум се състои от ударен шум, топлинен шум и 1/f шум от захранващи устройства като диоди и MOSFET. Например, когато диодите на Шотки са обратно предубедени, техният капацитет на свързване и паразитна индуктивност ще произведат високо-честотни трептения, образувайки шумови пикове в честотния диапазон от 0,1-100MHz.
Шум при превключване: В изолирани енергийни топологии като flyback и LLC, обратният процес на възстановяване на захранващите диоди може да генерира силни електромагнитни смущения (EMI). Като вземем за пример захранване на определен медицински дефибрилатор, неговият изходен изправителен диод може да генерира пикове на напрежението до 50 V/ns по време на обратното възстановяване, което води до пулсации на изхода до 200 mV.
Кондуктивни смущения: Пренапрежения, електростатични разряди (ESD) и други събития във входния край на мрежовото захранване ще бъдат отведени към вътрешността на оборудването през електропровода. Стандартът IEC 60601-1 изисква медицинско оборудване да контролира тока на утечка на спомагателните вериги на пациента в рамките на 10 μA по време на тестване на контактния ток, което налага строги изисквания за потискане на шума от предния край на захранването.
2, Технологична матрица за намаляване на диодния шум
1. Оптимизация на функцията за обратно възстановяване
В изолирани DC-DC преобразуватели използването на диоди с бързо възстановяване (FRD) или диоди на Шотки от силициев карбид (SiC) може значително да намали шума при превключване. Например, в преносимо захранване за ултразвукова диагностика, заменящо традиционния силициев -базиран ултрабърз диод за възстановяване (UFRD) с SiC диод на Шотки:

Времето за обратно възстановяване намалено от 35ns на 5ns
Пулсацията на изхода е намалена от 150mV на 45mV
Ефективността се повишава с 3,2 процентни пункта
Високата критична напрегнатост на полето на пробив (3MV/cm) на SiC диодите ги прави по-изгодни при приложения с високо-напрежение. В генератора на рентгеново високо-напрежение на медицински КТ машини, използването на 650V SiC диодна матрица на Шотки може да намали загубите при обратно възстановяване с 80% и да постигне стабилност на изходното напрежение от ± 0,01%.

2. Диодна матрица за потискане на шума
За-потискане на високочестотния шум може да се изгради буферна мрежа от резистор с диоден кондензатор (DCR). В определено захранване на имплантируем нервен стимулатор, 10 Ω/100pF RC буферна верига е свързана паралелно през изходния токоизправителен диод:

Потиснати високо{0}}честотни трептения над 10MHz
Намалете плътността на изходния шум от 15nV/√ Hz до 3nV/√ Hz
Отговаря на изискванията на IEC 60601-1 за електромагнитна съвместимост на имплантируемите устройства
По-модерно решение е използването на интегриран модул за потискане на шума. Например диодната матрица от серията TLN201, пусната от Tianling Arrow Company, може да постигне:

8kV мълниезащита
100dB EMI затихване
0,1 μ A контрол на тока на утечка
3. Технология за изолиране на оптоелектронно свързване
В медицинските захранващи устройства, които изискват електрическа изолация, комбинацията от светоизлъчващи диоди (LED) и фотодиоди в оптроните може да постигне пълна изолация между сигналите и захранващите устройства. Вземайки изолираното захранване на определен медицински монитор като пример:

Приемане на оптрон Avago HCPL-0631
Изолационно напрежение до 5kVrms
Коефициентът на отхвърляне на общ режим (CMRR) се увеличи до 120dB
Контролирайте тока на утечка на входните и изходните клеми в рамките на 0,1 μA
Новият цифров изолатор допълнително преодолява ограничението на честотната лента на традиционните оптрони. Изолаторът ADuM5401 на ADI използва технология за магнитно свързване, за да постигне 5kV изолация, като същевременно поддържа 2Mbps скорост на данни, с намалена консумация на енергия с 60% в сравнение с традиционните оптрони.

3, Анализ на типичен сценарий на приложение
1. Преносими медицински изделия
В устройства, захранвани с батерии, като глюкомери и преносими ултразвукови апарати, диодното намаляване на шума трябва да балансира ефективността и пространството. Определен оксиметър на върха на пръста приема следната схема:

Входен терминал: SMBJ5.0CA TVS диод за ESD защита (± 15kV контактен разряд)
Процес на коригиране: BAT54S двоен диод на Шотки намалява загубата на проводимост (VF)= 0.2V@1A )
Изходен терминал: диод BAV99 ограничава пренапрежението до -0,5V~3,8V
Това решение позволява на устройството да контролира пулсациите на изхода в рамките на 10 mV и да удължи живота на батерията с 20% при 1,8 V захранване на батерията.

2. Високо прецизно медицинско оборудване за изображения
В голямо оборудване, като MRI и CT, шумът от захранването пряко влияе върху качеството на изображението. Определено 3.0T MRI градиентно захранване на усилвател използва:

Комбинация от SiC MOSFET и SiC диод на Шотки
Многостепенна DCR буферна мрежа
Медно фолио феритно медно фолио сандвич екранираща структура
Реализирайте стабилност на изходното напрежение от ± 0,005% и градиентна пулсация на магнитното поле<0.01%, meeting the requirements of DICOM standard for imaging uniformity.

3. Имплантируеми медицински изделия
В имплантируемите устройства, като пейсмейкъри и нервни стимулатори, намаляването на диодния шум трябва да отговаря на изискванията за биосъвместимост и свръх-ниска консумация на енергия. Определено захранване на нервен стимулатор-затворен цикъл използва:

Фотодиод с нисък ток на утечка с повърхностно пасивиране
0402 опакован TVS диод за ESD защита
Динамичната схема на отклонение намалява статичната консумация на енергия
Удължете експлоатационния живот на устройството до над 10 години при захранване от 3,7 V литиево-йонна батерия и отговаряйте на стандарта за биосъвместимост ISO 10993.