Як зменшити шум в живленні медичних інструментів через діоди?

一, Відстеження шуму: Шумовий виклик медичного електропостачання
Шум джерела живлення медичних інструментів в основному походить з трьох вимірів:

Внутрішній шум пристроїв: основний рівень шуму складається з дробового шуму, теплового шуму та шуму 1/f від силових пристроїв, таких як діоди та MOSFET. Наприклад, коли діоди Шотткі мають зворотне зміщення, їх ємність переходу та паразитна індуктивність створюватимуть високочастотні-коливання, утворюючи піки шуму в частотному діапазоні 0,1–100 МГц.
Шум перемикання: в ізольованих топологіях живлення, таких як зворотний ход і LLC, процес зворотного відновлення силових діодів може створювати сильні електромагнітні перешкоди (EMI). Взявши як приклад джерело живлення певного медичного дефібрилятора, його вихідний випрямний діод може генерувати стрибки напруги до 50 В/нс під час зворотного відновлення, що призводить до пульсацій на виході до 200 мВ.
Кондуктивні перешкоди: стрибки напруги, електростатичний розряд (ESD) та інші події на вхідному кінці електромережі будуть передані всередину обладнання через лінію електроживлення. Стандарт IEC 60601-1 вимагає від медичного обладнання контролювати струм витоку допоміжних ланцюгів пацієнта в межах 10 мкА під час тестування контактного струму, що накладає суворі вимоги до шумозаглушення переднього кінця джерела живлення.
2, матриця технології шумозаглушення діодів
1. Оптимізація функції зворотного відновлення
В ізольованих перетворювачах DC-DC використання діодів зі швидким відновленням (FRD) або діодів Шотткі з карбіду кремнію (SiC) може значно зменшити шум перемикання. Наприклад, у портативному блоці живлення для ультразвукової діагностики заміна традиційного кремнієвого-діода надшвидкого відновлення (UFRD) діодом Шотткі SiC:

Час зворотного відновлення зменшено з 35 нс до 5 нс
Вихідні пульсації зменшено зі 150 мВ до 45 мВ
Ефективність зросла на 3,2 в.п
Висока критична напруженість поля пробою (3 МВ/см) SiC-діодів робить їх кращими в застосуваннях під високою-напругою. У рентгенівському генераторі високої{4}}напруги медичних комп’ютерних томографів використання матриці діодів Шотткі SiC на 650 В може зменшити втрати зворотного відновлення на 80% і досягти стабільності вихідної напруги ± 0,01%.

2. Матриця діодів шумозаглушення
Для-придушення високочастотного шуму можна створити буферну мережу діодного конденсаторного резистора (DCR). У певному джерелі живлення нейростимулятора, що імплантується, буферна ланцюг RC 10 Ом/100 пФ підключений паралельно до вихідного випрямного діода:

Пригнічені високочастотні-коливання понад 10 МГц
Зменшити щільність вихідного шуму з 15 нВ/√ Гц до 3 нВ/√ Гц
Відповідають вимогам IEC 60601-1 щодо електромагнітної сумісності імплантованих пристроїв
Більш просунутим рішенням є використання інтегрованого модуля шумозаглушення. Наприклад, діодна матриця серії TLN201, випущена компанією Tianling Arrow, може досягти:

Блискавкозахист 8кВ
100 дБ ослаблення EMI
Контроль струму витоку 0,1 мкА
3. Технологія ізоляції оптоелектронного зв'язку
У медичних джерелах живлення, які потребують електричної ізоляції, комбінація світлодіодів (світлодіодів) і фотодіодів в оптопарах може досягти повної ізоляції між сигналами та джерелами живлення. Розглянемо як приклад ізольоване джерело живлення певного медичного монітора:

Прийняття оптрона Avago HCPL-0631
Напруга ізоляції до 5kVrms
Коефіцієнт відхилення загального режиму (CMRR) збільшився до 120 дБ
Контролюйте струм витоку на вхідних і вихідних клемах в межах 0,1 мкА
Новий цифровий ізолятор додатково долає обмеження смуги пропускання традиційних оптронів. Ізолятор ADuM5401 від ADI використовує технологію магнітного зв’язку для досягнення ізоляції 5 кВ при підтримці швидкості передачі даних 2 Мбіт/с, при цьому енергоспоживання зменшено на 60% порівняно з традиційними оптронами.

3. Аналіз типового сценарію застосування
1. Портативні медичні прилади
У пристроях із живленням від батареї, таких як глюкометри та портативні ультразвукові прилади, діодне шумозаглушення має збалансувати ефективність і простір. Певний пальцевий оксиметр приймає таку схему:

Вхідний термінал: діод SMBJ5.0CA TVS для захисту від електростатичного розряду (± 15 кВ контактний розряд)
Процес випрямлення: подвійний діод Шотткі BAT54S зменшує втрати провідності (VF)= 0.2V@1A )
Вихідний термінал: діод BAV99 обмежує перенапругу до -0,5 В ~ 3,8 В
Це рішення дозволяє пристрою контролювати вихідні пульсації в межах 10 мВ і продовжити термін служби батареї на 20% при живленні від батареї 1,8 В.

2. Високоточне медичне обладнання для візуалізації
У великому обладнанні, такому як МРТ і КТ, шум джерела живлення безпосередньо впливає на якість зображення. Певний джерело живлення градієнтного підсилювача МРТ 3,0 Тл використовує:

Комбінація SiC MOSFET і SiC діода Шотткі
Багаторівнева буферна мережа DCR
Сендвіч-екрануюча структура з феритової мідної фольги з мідної фольги
Реалізуйте стабільність вихідної напруги ± 0,005% і градієнтну пульсацію магнітного поля<0.01%, meeting the requirements of DICOM standard for imaging uniformity.

3. Імплантовані медичні пристрої
У пристроях, що імплантуються, як-от кардіостимулятори та нервові стимулятори, шумозаглушення діодів має відповідати вимогам біосумісності та над-низького енергоспоживання. Певне джерело живлення нервового стимулятора-із замкнутим контуром використовує:

Фотодіод із низьким струмом витоку з пасивацією поверхні
0402 діод TVS для захисту від електростатичного розряду
Схема динамічного зміщення зменшує статичне енергоспоживання
Подовжте термін служби пристрою до понад 10 років при живленні від літій-акумулятора 3,7 В і відповідає стандарту біосумісності ISO 10993.