Hur minskar man brus i medicinska instruments strömförsörjning genom dioder?

一, Noise Traceability: The Noise Challenge of Medical Power Supply
Ljudet från strömförsörjningen för medicinska instrument kommer huvudsakligen från tre dimensioner:

Inbyggt brus från enheter: Grundbrusgolvet består av skottljud, termiskt brus och 1/f-brus från kraftenheter som dioder och MOSFET:er. Till exempel, när Schottky-dioder är omvänt förspända, kommer deras korsningskapacitans och parasitiska induktans att producera högfrekventa svängningar, vilket bildar brustoppar i frekvensområdet 0,1-100MHz.
Växlingsbrus: I isolerade effekttopologier som flyback och LLC kan den omvända återställningsprocessen för effektdioder generera stark elektromagnetisk störning (EMI). Med en viss medicinsk defibrillatorströmförsörjning som exempel kan dess utgående likriktardiod generera spänningstoppar på upp till 50V/ns under omvänd återhämtning, vilket resulterar i utsignalsrippel på upp till 200mV.
Ledad störning: Överspänning, elektrostatisk urladdning (ESD) och andra händelser vid ingångsänden av nätströmmen kommer att ledas till utrustningens inre genom kraftledningen. IEC 60601-1-standarden kräver att medicinsk utrustning kontrollerar läckströmmen från patienthjälpkretsar inom 10 μA under kontaktströmstestning, vilket ställer strikta krav på brusdämpningen av strömförsörjningsfronten.
2, Diod brusreducering teknik matris
1. Omvänd återställningsfunktionsoptimering
I isolerade DC-DC-omvandlare kan användningen av snabbåterställningsdioder (FRD) eller Schottky-dioder av kiselkarbid (SiC) reducera omkopplingsbruset avsevärt. Till exempel, i en bärbar ultraljudsdiagnostisk strömförsörjning, som ersätter den traditionella kisel-baserade ultrasnabbåterställningsdioden (UFRD) med en SiC Schottky-diod:

Omvänd återhämtningstid minskat från 35 ns till 5 ns
Utgångsrippel reducerad från 150mV till 45mV
Effektiviteten ökade med 3,2 procentenheter
Den höga kritiska genombrottsfältstyrkan (3MV/cm) hos SiC-dioder gör dem mer fördelaktiga i hög-tillämpningar. I röntgenhögspänningsgeneratorn för-medicinska CT-maskiner kan användning av en 650V SiC Schottky-diodmatris minska omvänd återhämtningsförlust med 80 % och uppnå en utspänningsstabilitet på ± 0,01 %.

2. Brusdämpande dioduppsättning
För hög-brusdämpning kan ett buffertnätverk med diodkondensatormotstånd (DCR) konstrueras. I en viss implanterbar neural stimulatorströmförsörjning är en 10 Ω/100pF RC-buffertkrets ansluten parallellt över utgångslikriktardioden:

Undertryckta högfrekventa oscillationer över 10 MHz
Minska utgående brusdensitet från 15nV/√ Hz till 3nV/√ Hz
Uppfyll kraven i IEC 60601-1 för elektromagnetisk kompatibilitet för implanterbara enheter
En mer avancerad lösning är att använda en integrerad brusreduceringsmodul. Till exempel kan TLN201-seriens dioduppsättning som lanserats av Tianling Arrow Company uppnå:

8kV åskskydd
100dB EMI-dämpning
0,1 μ A läckströmskontroll
3. Optoelektronisk kopplingsisoleringsteknik
I medicinska nätaggregat som kräver elektrisk isolering kan kombinationen av lysdioder (LED) och fotodioder i optokopplare uppnå fullständig isolering mellan signaler och strömförsörjning. Ta den isolerade strömförsörjningen för en viss medicinsk monitor som ett exempel:

Använder Avago HCPL-0631 optokopplare
Isolationsspänning upp till 5kVrms
Common mode rejection ratio (CMRR) ökade till 120dB
Kontrollera läckströmmen vid ingångs- och utgångsterminalerna inom 0,1 μA
Den nya digitala isolatorn bryter ytterligare genom bandbreddsbegränsningen hos traditionella optokopplare. ADI:s ADuM5401-isolator använder magnetisk kopplingsteknik för att uppnå 5 kV isolering samtidigt som den stöder en datahastighet på 2 Mbps, med strömförbrukningen reducerad med 60 % jämfört med traditionella optokopplare.

3, Typisk applikationsscenarioanalys
1. Bärbar medicinsk utrustning
I batteridrivna enheter som blodsockermätare och bärbart ultraljud måste diodbrusreducering balansera effektivitet och utrymme. En viss fingertoppsoximeter använder följande schema:

Ingångsterminal: SMBJ5.0CA TVS-diod för ESD-skydd (± 15kV kontakturladdning)
Rättningsprocess: BAT54S dubbel Schottky-diod minskar ledningsförlust (VF)= 0.2V@1A )
Utgångsterminal: BAV99 klämdiod begränsar överspänningen till -0,5V~3,8V
Denna lösning gör det möjligt för enheten att styra uteffekten inom 10mV och förlänga batteriets livslängd med 20 % under 1,8V batteriströmförsörjning.

2. Medicinsk bildbehandlingsutrustning med hög precision
I stor utrustning som MR och CT påverkar brus från strömförsörjningen direkt bildkvaliteten. En viss 3.0T MRI-gradientförstärkares strömförsörjning använder:

SiC MOSFET och SiC Schottky diodkombination
Flernivå DCR-buffertnätverk
Kopparfolie ferrit kopparfolie sandwich skärmningsstruktur
Förverkliga utspänningsstabilitet på ± 0,005% och gradient magnetfält rippel av<0.01%, meeting the requirements of DICOM standard for imaging uniformity.

3. Implanterbar medicinsk utrustning
I implanterbara enheter som pacemakers och nervstimulatorer måste diodbrusreducering uppfylla kraven på biokompatibilitet och ultra-låg strömförbrukning. En viss strömförsörjning för neural stimulator med sluten-slinga använder:

Låg läckströmsfotodiod med ytpassiveringsbehandling
0402-paketerad TVS-diod för ESD-skydd
Dynamisk förspänningskrets minskar den statiska strömförbrukningen
Förläng enhetens livslängd till över 10 år under 3,7V litium-jonbatteri och uppfyller ISO 10993-standarden för biokompatibilitet.