Как снизить шум в питании медицинского инструмента через диоды?

一, Отслеживание шума: проблема шума в источниках медицинского питания
Шум источника питания медицинского инструмента в основном возникает по трем причинам:

Собственный шум устройств. Основной шум состоит из дробового шума, теплового шума и шума 1/f от силовых устройств, таких как диоды и МОП-транзисторы. Например, когда диоды Шоттки смещены в обратном направлении, их емкость перехода и паразитная индуктивность будут вызывать высокочастотные колебания, образуя пики шума в диапазоне частот 0,1–100 МГц.
Коммутационный шум. В топологиях с изолированным питанием, таких как обратноходовая и LLC, обратный процесс восстановления силовых диодов может создавать сильные электромагнитные помехи (EMI). Если взять в качестве примера источник питания медицинского дефибриллятора, его выходной выпрямительный диод может генерировать скачки напряжения до 50 В/нс во время обратного восстановления, что приводит к пульсациям выходного сигнала до 200 мВ.
Кондуктивные помехи. Скачки напряжения, электростатические разряды (ESD) и другие события на входном конце сети будут попадать внутрь оборудования через линию электропередачи. Стандарт IEC 60601-1 требует, чтобы медицинское оборудование контролировало ток утечки вспомогательных цепей пациента в пределах 10 мкА во время испытания контактного тока, что налагает строгие требования к подавлению помех входного каскада источника питания.
2, матрица технологии шумоподавления диодов
1. Оптимизация функции обратного восстановления.
В изолированных преобразователях постоянного тока-постоянного тока использование диодов с быстрым восстановлением (FRD) или карбидокремниевых (SiC) диодов Шоттки может значительно снизить шум переключения. Например, в портативном источнике питания для ультразвуковой диагностики замена традиционного кремниевого-диода сверхбыстрого восстановления (UFRD) на SiC-диод Шоттки:

Время обратного восстановления уменьшено с 35 нс до 5 нс.
Пульсации на выходе уменьшены со 150 мВ до 45 мВ.
Эффективность выросла на 3,2 процентных пункта
Высокая критическая напряженность поля пробоя (3 МВ/см) SiC-диодов делает их более выгодными в приложениях с высоким-напряжением. В генераторе рентгеновского-высокого-напряжения медицинских компьютерных томографов использование массива диодов Шоттки SiC напряжением 650 В позволяет снизить потери обратного восстановления на 80 % и добиться стабильности выходного напряжения ± 0,01 %.

2. Диодная матрица шумоподавления.
Для подавления высокочастотного шума можно построить буферную сеть с диодным конденсатором (DCR). В одном имплантируемом источнике питания нейростимулятора RC-буферная цепь сопротивлением 10 Ом/100 пФ подключается параллельно выходному выпрямительному диоду:

Подавлены высокочастотные-колебания выше 10 МГц.
Уменьшите плотность выходного шума с 15 нВ/√ Гц до 3 нВ/√ Гц.
Соответствуют требованиям IEC 60601-1 по электромагнитной совместимости имплантируемых устройств.
Более продвинутое решение — использование встроенного модуля шумоподавления. Например, диодная матрица серии TLN201, выпущенная компанией Tianling Arrow Company, может обеспечить:

молниезащита 8кВ
Ослабление электромагнитных помех 100 дБ
Контроль тока утечки 0,1 мкА
3. Технология изоляции оптоэлектронной связи.
В медицинских источниках питания, требующих электрической изоляции, комбинация светоизлучающих диодов (светодиодов) и фотодиодов в оптопарах может обеспечить полную изоляцию между сигналами и источниками питания. В качестве примера рассмотрим изолированный источник питания определенного медицинского монитора:

Принятие оптопары Avago HCPL-0631
Напряжение изоляции до 5 кВ (среднеквадратичное значение)
Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) увеличен до 120 дБ.
Контролируйте ток утечки на входных и выходных клеммах с точностью до 0,1 мкА.
Новый цифровой изолятор еще больше преодолевает ограничение полосы пропускания традиционных оптопар. В изоляторе ADI ADuM5401 используется технология магнитной связи для достижения изоляции 5 кВ при поддержке скорости передачи данных 2 Мбит/с, при этом энергопотребление снижено на 60% по сравнению с традиционными оптопарами.

3. Типичный анализ сценариев применения.
1. Портативные медицинские устройства.
В устройствах с батарейным питанием, таких как глюкометры и портативные ультразвуковые устройства, снижение шума диодов должно обеспечивать баланс между эффективностью и пространством. Определенный оксиметр на кончике пальца использует следующую схему:

Входной разъем: TVS-диод SMBJ5.0CA для защиты от электростатического разряда (контактный разряд ± 15 кВ)
Процесс выпрямления: двойной диод Шоттки BAT54S снижает потери проводимости (VF)= 0.2В@1А)
Выходная клемма: фиксирующий диод BAV99 ограничивает перенапряжение до -0,5–3,8 В.
Это решение позволяет устройству контролировать выходную пульсацию в пределах 10 мВ и продлевать срок службы батареи на 20% при питании от батареи 1,8 В.

2. Высокоточное медицинское оборудование для визуализации.
В крупногабаритном оборудовании, таком как МРТ и КТ, шум источника питания напрямую влияет на качество изображения. В определенном блоке питания градиентного усилителя МРТ 3,0 Тл используются:

Комбинация SiC MOSFET и SiC диода Шоттки
Многоуровневая буферная сеть DCR
Ферритовая медная фольга, сэндвич-экранирующая конструкция из медной фольги
Реализовать стабильность выходного напряжения ± 0,005% и пульсацию градиентного магнитного поля<0.01%, meeting the requirements of DICOM standard for imaging uniformity.

3. Имплантируемые медицинские изделия.
В имплантируемых устройствах, таких как кардиостимуляторы и нервные стимуляторы, шумоподавление диодов должно соответствовать требованиям биосовместимости и сверх-низкому энергопотреблению. Определенный источник питания нейронного стимулятора с замкнутым-контуром использует:

Фотодиод с низким током утечки и пассивационной обработкой поверхности
0402 корпусной TVS-диод для защиты от электростатического разряда
Схема динамического смещения снижает статическое энергопотребление
Продлите срок службы устройства до более чем 10 лет при питании от литий-ионного аккумулятора напряжением 3,7 В и обеспечьте соответствие стандарту биосовместимости ISO 10993.