Bagaimana untuk mengurangkan bunyi dalam bekalan kuasa instrumen perubatan melalui diod?

一, Kebolehkesanan Bunyi: Cabaran Bunyi Bekalan Kuasa Perubatan
Bunyi bekalan kuasa instrumen perubatan terutamanya berasal dari tiga dimensi:

Bunyi intrinsik peranti: Lantai hingar asas terdiri daripada hingar tembakan, hingar terma dan hingar 1/f daripada peranti kuasa seperti diod dan MOSFET. Contohnya, apabila diod Schottky dipincang songsang, kemuatan simpang dan kearuhan parasitnya akan menghasilkan-ayunan frekuensi tinggi, membentuk puncak hingar dalam julat frekuensi 0.1-100MHz.
Menukar hingar: Dalam topologi kuasa terpencil seperti flyback dan LLC, proses pemulihan terbalik diod kuasa boleh menjana gangguan elektromagnet (EMI) yang kuat. Mengambil bekalan kuasa defibrilator perubatan tertentu sebagai contoh, diod penerus keluarannya boleh menjana pancang voltan sehingga 50V/ns semasa pemulihan terbalik, menghasilkan riak keluaran sehingga 200mV.
Gangguan yang dijalankan: Lonjakan, nyahcas elektrostatik (ESD) dan peristiwa lain pada hujung input kuasa sesalur akan dijalankan ke bahagian dalam peralatan melalui talian kuasa. Piawaian IEC 60601-1 memerlukan peralatan perubatan untuk mengawal arus kebocoran litar tambahan pesakit dalam 10 μ A semasa ujian arus sesentuh, yang mengenakan keperluan ketat pada penindasan hingar pada bahagian hadapan bekalan kuasa.
2, matriks teknologi pengurangan hingar diod
1. Pengoptimuman ciri pemulihan songsang
Dalam penukar DC-DC terpencil, penggunaan diod pemulihan pantas (FRD) atau diod Schottky silikon karbida (SiC) boleh mengurangkan bunyi pensuisan dengan ketara. Contohnya, dalam bekalan kuasa diagnostik ultrasound mudah alih, menggantikan diod pemulihan ultracepat (UFRD) berasaskan silikon tradisional dengan diod SiC Schottky:

Masa pemulihan terbalik dikurangkan daripada 35ns kepada 5ns
Riak output dikurangkan daripada 150mV kepada 45mV
Kecekapan meningkat sebanyak 3.2 mata peratusan
Kekuatan medan pecahan kritikal yang tinggi (3MV/cm) diod SiC menjadikannya lebih berfaedah dalam-aplikasi voltan tinggi. Dalam penjana voltan tinggi-ray-X bagi mesin CT perubatan, menggunakan tatasusunan diod SiC Schottky 650V boleh mengurangkan kehilangan pemulihan terbalik sebanyak 80% dan mencapai kestabilan voltan keluaran sebanyak ± 0.01%.

2. Tatasusunan diod penindasan hingar
Untuk penindasan hingar frekuensi tinggi-, rangkaian penimbal kapasitor diod (DCR) boleh dibina. Dalam bekalan kuasa perangsang saraf boleh implan tertentu, litar penimbal RC 10 Ω/100pF disambung secara selari merentasi diod penerus keluaran:

Ayunan frekuensi tinggi-ditindas melebihi 10MHz
Kurangkan ketumpatan hingar keluaran daripada 15nV/√ Hz kepada 3nV/√ Hz
Memenuhi keperluan IEC 60601-1 untuk keserasian elektromagnet peranti boleh implan
Penyelesaian yang lebih maju ialah menggunakan modul penindasan hingar bersepadu. Sebagai contoh, tatasusunan diod siri TLN201 yang dilancarkan oleh Syarikat Tianling Arrow boleh mencapai:

Perlindungan kilat 8kV
Pengecilan EMI 100dB
0.1 μ Kawalan arus bocor
3. Teknologi pengasingan gandingan optoelektronik
Dalam bekalan kuasa perubatan yang memerlukan pengasingan elektrik, gabungan diod pemancar cahaya (LED) dan fotodiod dalam optocoupler boleh mencapai pengasingan lengkap antara isyarat dan bekalan kuasa. Mengambil bekalan kuasa terpencil monitor perubatan tertentu sebagai contoh:

Mengguna pakai optocoupler Avago HCPL-0631
Voltan pengasingan sehingga 5kVrms
Nisbah penolakan mod biasa (CMRR) meningkat kepada 120dB
Kawal arus bocor pada terminal input dan output dalam 0.1 μ A
Pengasing digital baharu seterusnya menembusi had lebar jalur optocoupler tradisional. Pengasing ADuM5401 ADI menggunakan teknologi gandingan magnetik untuk mencapai pengasingan 5kV sambil menyokong kadar data 2Mbps, dengan penggunaan kuasa dikurangkan sebanyak 60% berbanding optocoupler tradisional.

3, Analisis senario aplikasi biasa
1. Peranti perubatan mudah alih
Dalam peranti berkuasa bateri seperti meter glukosa darah dan ultrasound mudah alih, pengurangan hingar diod perlu mengimbangi kecekapan dan ruang. Oksimeter hujung jari tertentu menggunakan skema berikut:

Terminal input: SMBJ5.0CA TVS diod untuk perlindungan ESD (± nyahcas sesentuh 15kV)
Proses pembetulan: BAT54S dwi Schottky diod mengurangkan kehilangan pengaliran (VF)= 0.2V@1A )
Terminal keluaran: diod pengapit BAV99 mengehadkan voltan lampau kepada -0.5V~3.8V
Penyelesaian ini membolehkan peranti mengawal riak keluaran dalam 10mV dan memanjangkan hayat bateri sebanyak 20% di bawah bekalan kuasa bateri 1.8V.

2. peralatan pengimejan perubatan berketepatan tinggi
Dalam peralatan besar seperti MRI dan CT, hingar bekalan kuasa secara langsung menjejaskan kualiti pengimejan. Bekalan kuasa penguat kecerunan MRI 3.0T tertentu menggunakan:

Kombinasi diod SiC MOSFET dan SiC Schottky
Rangkaian penimbal DCR berbilang peringkat
Struktur pelindung sandwic foil tembaga ferit foil tembaga
Realisasikan kestabilan voltan keluaran ± 0.005% dan riak medan magnet kecerunan<0.01%, meeting the requirements of DICOM standard for imaging uniformity.

3. Peranti perubatan yang boleh ditanam
Dalam peranti boleh implan seperti perentak jantung dan perangsang saraf, pengurangan hingar diod perlu memenuhi keperluan biokompatibiliti dan penggunaan kuasa ultra-rendah. Bekalan kuasa perangsang saraf gelung tertutup-tertentu menggunakan:

Fotodiod arus bocor rendah dengan rawatan pempasifan permukaan
0402 pakej diod TVS untuk perlindungan ESD
Litar pincang dinamik mengurangkan penggunaan kuasa statik
Panjangkan hayat kerja peranti kepada lebih 10 tahun di bawah bekalan kuasa bateri-ion litium 3.7V dan memenuhi piawaian biokeserasian ISO 10993.