Kako smanjiti buku u napajanju medicinskih instrumenata putem dioda?

一, Slijedivost buke: Izazov buke medicinskog napajanja
Buka napajanja medicinskih instrumenata uglavnom dolazi iz tri dimenzije:

Unutarnja buka uređaja: Osnovni nivo buke sastoji se od buke pucanja, toplinske buke i 1/f buke energetskih uređaja kao što su diode i MOSFET-ovi. Na primjer, kada su Schottky diode obrnuto prednaponske, njihov spojni kapacitet i parazitni induktivitet proizvest će visoko-frekventne oscilacije, stvarajući vršne vrijednosti šuma u frekvencijskom rasponu od 0,1-100MHz.
Preklopni šum: U izoliranim topologijama napajanja kao što su flyback i LLC, obrnuti proces oporavka energetskih dioda može generirati jake elektromagnetske smetnje (EMI). Uzimajući određeni izvor napajanja medicinskog defibrilatora kao primjer, njegova izlazna ispravljačka dioda može generirati skokove napona do 50 V/ns tijekom povratnog oporavka, što rezultira valovitošću izlaza do 200 mV.
Dirigirane smetnje: prenapon, elektrostatičko pražnjenje (ESD) i drugi događaji na kraju ulaza mrežnog napajanja odvest će se u unutrašnjost opreme kroz strujni vod. Norma IEC 60601-1 zahtijeva da medicinska oprema kontrolira struju curenja pomoćnih krugova pacijenta unutar 10 μA tijekom ispitivanja kontaktne struje, što nameće stroge zahtjeve za potiskivanje buke prednjeg kraja napajanja.
2, Tehnološka matrica za smanjenje šuma diode
1. Optimizacija značajke obrnutog oporavka
U izoliranim DC-DC pretvaračima, upotreba dioda s brzim oporavkom (FRD) ili Schottky dioda od silicij karbida (SiC) može značajno smanjiti šum pri preklapanju. Na primjer, u prijenosnom ultrazvučnom dijagnostičkom napajanju, zamjena tradicionalne ultrabrze povratne diode (UFRD) temeljene na siliciju- SiC Schottky diodom:

Vrijeme povratnog oporavka smanjeno s 35 ns na 5 ns
Izlazna valovitost smanjena sa 150mV na 45mV
Učinkovitost je povećana za 3,2 postotna boda
Visoka kritična jakost probojnog polja (3MV/cm) SiC dioda čini ih korisnijima u visoko-naponskim aplikacijama. U visokonaponskom generatoru X-zraka- medicinskih CT strojeva, korištenje niza SiC Schottky dioda od 650 V može smanjiti povratni gubitak povrata za 80% i postići stabilnost izlaznog napona od ± 0,01%.

2. Niz dioda za potiskivanje šuma
Za -supresiju visokofrekventnog šuma može se konstruirati međuspremnik otpornika diodnog kondenzatora (DCR). U određenom napajanju neuralnog stimulatora koji se može implantirati, krug međuspremnika 10 Ω/100pF RC povezan je paralelno preko izlazne ispravljačke diode:

Potisnute visokofrekventne-oscilacije iznad 10MHz
Smanjite gustoću izlaznog šuma sa 15nV/√ Hz na 3nV/√ Hz
Ispunite zahtjeve IEC 60601-1 za elektromagnetsku kompatibilnost implantabilnih uređaja
Naprednije rješenje je korištenje integriranog modula za suzbijanje buke. Na primjer, niz dioda serije TLN201 koji je lansirala tvrtka Tianling Arrow može postići:

8kV zaštita od groma
100dB EMI slabljenje
0,1 μ A kontrola struje curenja
3. Tehnologija izolacije optoelektroničke sprege
U medicinskim izvorima napajanja koji zahtijevaju električnu izolaciju, kombinacija svjetlosnih dioda (LED) i fotodioda u optokaplerima može postići potpunu izolaciju između signala i izvora napajanja. Uzimajući izolirano napajanje određenog medicinskog monitora kao primjer:

Usvajanje Avago HCPL-0631 optokaplera
Izolacijski napon do 5kVrms
Omjer odbijanja zajedničkog načina rada (CMRR) povećan je na 120 dB
Kontrolirajte struju curenja na ulaznim i izlaznim stezaljkama unutar 0,1 μA
Novi digitalni izolator dodatno probija ograničenja propusnosti tradicionalnih optokaplera. ADI-jev izolator ADuM5401 koristi tehnologiju magnetskog spajanja za postizanje izolacije od 5 kV dok podržava brzinu prijenosa podataka od 2 Mbps, uz potrošnju energije smanjenu za 60% u usporedbi s tradicionalnim optokaplerima.

3, Tipična analiza scenarija primjene
1. Prijenosni medicinski uređaji
U uređajima s baterijskim napajanjem kao što su mjerači glukoze u krvi i prijenosni ultrazvuk, diodno smanjenje šuma mora uravnotežiti učinkovitost i prostor. Određeni oksimetar na vrhu prsta ima sljedeću shemu:

Ulazni terminal: SMBJ5.0CA TVS dioda za ESD zaštitu (± 15kV kontaktno pražnjenje)
Proces ispravljanja: BAT54S dvostruka Schottky dioda smanjuje gubitak vodljivosti (VF)= 0.2V@1A )
Izlazni terminal: stezna dioda BAV99 ograničava prenapon na -0,5V~3,8V
Ovo rješenje omogućuje uređaju kontrolu valovitosti izlaza unutar 10 mV i produljenje trajanja baterije za 20% pri napajanju baterije od 1,8 V.

2. Visoko precizna medicinska oprema za snimanje
U velikoj opremi kao što su MRI i CT, šum napajanja izravno utječe na kvalitetu slike. Određeno 3,0T MRI gradijentno napajanje pojačala koristi:

Kombinacija SiC MOSFET i SiC Schottky diode
Višerazinska DCR međuspremnička mreža
Zaštitna struktura sendviča od feritne bakrene folije
Ostvarite stabilnost izlaznog napona od ± 0,005% i valovitost gradijenta magnetskog polja od<0.01%, meeting the requirements of DICOM standard for imaging uniformity.

3. Medicinski uređaji za ugradnju
U implantabilnim uređajima kao što su pacemakeri i živčani stimulatori, diodno smanjenje šuma mora zadovoljiti zahtjeve biokompatibilnosti i ultra-niske potrošnje energije. Određeno napajanje neuronskog stimulatora-zatvorene petlje koristi:

Fotodioda niske struje curenja s površinskom pasivizacijom
0402 pakirana TVS dioda za ESD zaštitu
Dinamički prednaponski krug smanjuje statičku potrošnju energije
Produžite radni vijek uređaja na više od 10 godina uz napajanje litij-ionske baterije od 3,7 V i zadovoljite standard biokompatibilnosti ISO 10993.