Πώς να μειώσετε τον θόρυβο στην τροφοδοσία ιατρικών οργάνων μέσω διόδων;

一, Ιχνηλασιμότητα θορύβου: Η πρόκληση θορύβου του ιατρικού τροφοδοτικού
Ο θόρυβος της τροφοδοσίας ιατρικών οργάνων προέρχεται κυρίως από τρεις διαστάσεις:

Εγγενής θόρυβος συσκευών: Το βασικό επίπεδο θορύβου αποτελείται από θόρυβο βολής, θερμικό θόρυβο και θόρυβο 1/f από συσκευές ισχύος, όπως δίοδοι και MOSFET. Για παράδειγμα, όταν οι δίοδοι Schottky έχουν αντίστροφη πόλωση, η χωρητικότητα διασταύρωσης και η παρασιτική επαγωγή τους θα παράγουν ταλαντώσεις υψηλής-συχνότητας, σχηματίζοντας κορυφές θορύβου στην περιοχή συχνοτήτων 0,1-100 MHz.
Θόρυβος μεταγωγής: Σε απομονωμένες τοπολογίες ισχύος, όπως το flyback και το LLC, η διαδικασία ανάστροφης ανάκτησης των διόδων ισχύος μπορεί να δημιουργήσει ισχυρές ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI). Λαμβάνοντας ως παράδειγμα ένα συγκεκριμένο τροφοδοτικό ιατρικού απινιδωτή, η δίοδος ανορθωτή εξόδου του μπορεί να δημιουργήσει αιχμές τάσης έως και 50 V/ns κατά την αντίστροφη ανάκτηση, με αποτέλεσμα κυματισμό εξόδου έως και 200 ​​mV.
Διεξαγόμενες παρεμβολές: Η υπέρταση, η ηλεκτροστατική εκφόρτιση (ESD) και άλλα συμβάντα στο άκρο εισόδου του ηλεκτρικού ρεύματος θα πραγματοποιηθούν στο εσωτερικό του εξοπλισμού μέσω της γραμμής ισχύος. Το πρότυπο IEC 60601-1 απαιτεί από τον ιατρικό εξοπλισμό να ελέγχει το ρεύμα διαρροής των βοηθητικών κυκλωμάτων ασθενών εντός 10 μ A κατά τη δοκιμή ρεύματος επαφής, γεγονός που επιβάλλει αυστηρές απαιτήσεις για την καταστολή θορύβου στο μπροστινό μέρος του τροφοδοτικού.
2, μήτρα τεχνολογίας μείωσης θορύβου διόδου
1. Βελτιστοποίηση δυνατοτήτων αντίστροφης ανάκτησης
Σε απομονωμένους μετατροπείς DC-DC, η χρήση διόδων ταχείας ανάκτησης (FRD) ή διόδων Schottky από καρβίδιο του πυριτίου (SiC) μπορεί να μειώσει σημαντικά τον θόρυβο μεταγωγής. Για παράδειγμα, σε ένα φορητό διαγνωστικό τροφοδοτικό υπερήχων, αντικατάσταση της παραδοσιακής διόδου υπερταχείας ανάκτησης (UFRD) με βάση το πυρίτιο- με μια δίοδο SiC Schottky:

Ο χρόνος ανάστροφης ανάκτησης μειώθηκε από 35 ns σε 5 ns
Ο κυματισμός εξόδου μειώθηκε από 150mV σε 45mV
Η απόδοση αυξήθηκε κατά 3,2 ποσοστιαίες μονάδες
Η υψηλή κρίσιμη ένταση πεδίου διάσπασης (3MV/cm) των διόδων SiC τις καθιστά πιο συμφέρουσες σε εφαρμογές υψηλής-τάσης. Στη γεννήτρια-υψηλής-τάσης ακτίνων Χ ιατρικών μηχανημάτων CT, η χρήση συστοιχίας διόδων Schottky 650 V SiC μπορεί να μειώσει την απώλεια ανάστροφης ανάκτησης κατά 80% και να επιτύχει σταθερότητα τάσης εξόδου ± 0,01%.

2. Συστοιχία διόδων καταστολής θορύβου
Για την καταστολή θορύβου υψηλής συχνότητας, μπορεί να κατασκευαστεί ένα δίκτυο buffer με αντίσταση πυκνωτή διόδου (DCR). Σε ένα συγκεκριμένο εμφυτεύσιμο τροφοδοτικό νευρωνικού διεγέρτη, ένα κύκλωμα προσωρινής αποθήκευσης RC 10 Ω/100pF συνδέεται παράλληλα κατά μήκος της διόδου ανορθωτή εξόδου:

Καταστέλλονται ταλαντώσεις υψηλής-συχνότητας άνω των 10 MHz
Μειώστε την πυκνότητα θορύβου εξόδου από 15nV/√ Hz σε 3nV/√ Hz
Πληροί τις απαιτήσεις του IEC 60601-1 για ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα εμφυτεύσιμων συσκευών
Μια πιο προηγμένη λύση είναι η χρήση μιας ενσωματωμένης μονάδας καταστολής θορύβου. Για παράδειγμα, η συστοιχία διόδων της σειράς TLN201 που κυκλοφόρησε από την εταιρεία Tianling Arrow μπορεί να επιτύχει:

Αντικεραυνική προστασία 8 kV
Εξασθένηση EMI 100dB
Έλεγχος ρεύματος διαρροής 0,1 μ A
3. Τεχνολογία απομόνωσης οπτοηλεκτρονικής ζεύξης
Σε ιατρικά τροφοδοτικά που απαιτούν ηλεκτρική απομόνωση, ο συνδυασμός διόδων εκπομπής φωτός (LED) και φωτοδιόδων στους οπτικούς συζεύκτες μπορεί να επιτύχει πλήρη απομόνωση μεταξύ σημάτων και τροφοδοτικών. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το απομονωμένο τροφοδοτικό μιας συγκεκριμένης ιατρικής οθόνης:

Υιοθετώντας τον οπτικό συζευκτήρα Avago HCPL-0631
Τάση απομόνωσης έως 5kVrms
Ο λόγος απόρριψης κοινής λειτουργίας (CMRR) αυξήθηκε στα 120dB
Ελέγξτε το ρεύμα διαρροής στους ακροδέκτες εισόδου και εξόδου εντός 0,1 μ A
Ο νέος ψηφιακός απομονωτής ξεπερνά περαιτέρω τον περιορισμό του εύρους ζώνης των παραδοσιακών οπτικών συζευκτών. Ο απομονωτής ADuM5401 της ADI χρησιμοποιεί τεχνολογία μαγνητικής σύζευξης για την επίτευξη απομόνωσης 5 kV ενώ υποστηρίζει ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 2 Mbps, με κατανάλωση ενέργειας μειωμένη κατά 60% σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς οπτικούς συζεύκτες.

3, Τυπική ανάλυση σεναρίου εφαρμογής
1. Φορητές ιατρικές συσκευές
Σε συσκευές που τροφοδοτούνται με μπαταρία, όπως μετρητές γλυκόζης αίματος και φορητοί υπέρηχοι, η μείωση του θορύβου της διόδου πρέπει να εξισορροπεί την απόδοση και τον χώρο. Ένα συγκεκριμένο οξύμετρο δακτύλου υιοθετεί το ακόλουθο σχήμα:

Τερματικό εισόδου: SMBJ5.0CA TVS δίοδος για προστασία ESD (± 15kV εκφόρτιση επαφής)
Διαδικασία διόρθωσης: Η διπλή δίοδος Schottky BAT54S μειώνει την απώλεια αγωγιμότητας (VF)= 0.2V@1A )
Ακροδέκτης εξόδου: Η δίοδος σφιγκτήρα BAV99 περιορίζει την υπέρταση στα -0,5V~3,8V
Αυτή η λύση επιτρέπει στη συσκευή να ελέγχει τον κυματισμό εξόδου εντός 10 mV και να επεκτείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας κατά 20% κάτω από τροφοδοσία μπαταρίας 1,8 V.

2. Ιατρικός εξοπλισμός απεικόνισης υψηλής ακρίβειας
Σε μεγάλο εξοπλισμό όπως η μαγνητική τομογραφία και η αξονική τομογραφία, ο θόρυβος από την παροχή ρεύματος επηρεάζει άμεσα την ποιότητα της απεικόνισης. Ένα συγκεκριμένο τροφοδοτικό ενισχυτή κλίσης MRI 3.0T χρησιμοποιεί:

Συνδυασμός SiC MOSFET και διόδου SiC Schottky
Δίκτυο buffer DCR πολλαπλών επιπέδων
Δομή θωράκισης σάντουιτς φύλλου χαλκού φερρίτη φύλλου χαλκού
Πραγματοποιήστε σταθερότητα τάσης εξόδου ± 0,005% και κλίση μαγνητικού πεδίου<0.01%, meeting the requirements of DICOM standard for imaging uniformity.

3. Εμφυτεύσιμα ιατροτεχνολογικά προϊόντα
Σε εμφυτεύσιμες συσκευές, όπως βηματοδότες και διεγέρτες νεύρων, η μείωση του θορύβου της διόδου πρέπει να πληροί τις απαιτήσεις βιοσυμβατότητας και εξαιρετικά χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Ένα συγκεκριμένο τροφοδοτικό νευρικού διεγέρτη κλειστού-βρόχου χρησιμοποιεί:

Φωτοδίοδος ρεύματος χαμηλής διαρροής με επεξεργασία επιφανειακής παθητικοποίησης
0402 συσκευασμένη δίοδος TVS για προστασία ESD
Το κύκλωμα δυναμικής πόλωσης μειώνει την κατανάλωση στατικής ισχύος
Επεκτείνετε τη διάρκεια ζωής της συσκευής σε πάνω από 10 χρόνια με τροφοδοσία μπαταρίας ιόντων λιθίου 3,7V- και πληροί το πρότυπο βιοσυμβατότητας ISO 10993.