چگونه می توان نویز را در منبع تغذیه ابزار پزشکی از طریق دیود کاهش داد؟

一، قابلیت ردیابی نویز: چالش نویز منبع تغذیه پزشکی
نویز منبع تغذیه ابزار پزشکی عمدتاً از سه بعد ناشی می شود:

نویز ذاتی دستگاه ها: کف نویز اصلی از نویز شات، نویز حرارتی و نویز 1/f از دستگاه های برق مانند دیودها و ماسفت ها تشکیل شده است. به عنوان مثال، زمانی که دیودهای شاتکی بایاس معکوس هستند، ظرفیت اتصال و اندوکتانس انگلی آنها نوسانات فرکانس بالایی ایجاد می کند و پیک های نویز را در محدوده فرکانس 0.1-100 مگاهرتز تشکیل می دهد.
نویز سوئیچینگ: در توپولوژی های قدرت ایزوله مانند Flyback و LLC، فرآیند بازیابی معکوس دیودهای برق می تواند تداخل الکترومغناطیسی قوی (EMI) ایجاد کند. با در نظر گرفتن منبع تغذیه دفیبریلاتور پزشکی خاص به عنوان مثال، دیود یکسو کننده خروجی آن می تواند ولتاژهایی تا 50 ولت در ثانیه در طول بازیابی معکوس ایجاد کند که منجر به موج خروجی تا 200 میلی ولت می شود.
تداخل انجام شده: ولتاژ، تخلیه الکترواستاتیک (ESD) و سایر رویدادها در انتهای ورودی برق اصلی از طریق خط برق به داخل تجهیزات هدایت می شود. استاندارد IEC 60601-1 به تجهیزات پزشکی نیاز دارد تا جریان نشتی مدارهای کمکی بیمار را در عرض 10 میکرو آمپر در طول آزمایش جریان تماسی کنترل کند، که الزامات سختگیرانه‌ای را برای سرکوب نویز در قسمت جلویی منبع تغذیه اعمال می‌کند.
2، ماتریس فناوری کاهش نویز دیود
1. بهینه سازی ویژگی بازیابی معکوس
در مبدل‌های DC{0} ایزوله، استفاده از دیودهای بازیابی سریع (FRD) یا دیودهای شاتکی کاربید سیلیکون (SiC) می‌تواند به میزان قابل توجهی نویز سوئیچینگ را کاهش دهد. به عنوان مثال، در منبع تغذیه تشخیصی اولتراسوند قابل حمل، جایگزینی دیود بازیابی فوق سریع مبتنی بر سیلیکون (UFRD) با دیود SiC Schottky:

زمان بازیابی معکوس از 35 ثانیه به 5 ثانیه کاهش یافت
ریپل خروجی از 150 میلی ولت به 45 میلی ولت کاهش یافت
بهره وری 3.2 واحد درصد افزایش یافته است
قدرت میدان شکست بحرانی بالا (3MV/cm) دیودهای SiC آنها را در کاربردهای{1} ولتاژ بالا سودمندتر می کند. در ژنراتور ولتاژ{4}بالای{4}}اشعه ایکس دستگاه‌های سی تی سی‌تی پزشکی، استفاده از آرایه دیود شاتکی 650 ولت SiC می‌تواند تلفات بازیابی معکوس را تا 80% کاهش دهد و به پایداری ولتاژ خروجی 0.01% برسد.

2. آرایه دیود سرکوب کننده سر و صدا
برای سرکوب صدای فرکانس بالا، می توان یک شبکه بافر مقاومت خازن دیودی (DCR) ساخت. در یک منبع تغذیه محرک عصبی قابل کاشت، یک مدار بافر RC 10 Ω/100pF به صورت موازی در سراسر دیود یکسو کننده خروجی متصل می شود:

نوسانات فرکانس{0}بالا بالای 10 مگاهرتز را سرکوب کرد
کاهش چگالی نویز خروجی از 15nV/√Hz به 3nV/√Hz
مطابق با الزامات IEC 60601-1 برای سازگاری الکترومغناطیسی دستگاه های کاشتنی
راه حل پیشرفته تر استفاده از یک ماژول یکپارچه سرکوب نویز است. به عنوان مثال، آرایه دیود سری TLN201 که توسط شرکت Tianling Arrow راه اندازی شده است می تواند به موارد زیر دست یابد:

حفاظت در برابر صاعقه 8 کیلو ولت
100dB تضعیف EMI
کنترل جریان نشتی 0.1 μ A
3. فن آوری جداسازی کوپلینگ نوری
در منابع تغذیه پزشکی که نیاز به ایزولاسیون الکتریکی دارند، ترکیبی از دیودهای ساطع کننده نور (LED) و فوتودیودها در اپتوکوپلرها می تواند به ایزوله کامل بین سیگنال ها و منابع تغذیه دست یابد. منبع تغذیه ایزوله یک مانیتور پزشکی خاص را به عنوان مثال در نظر بگیرید:

استفاده از اپتوکوپلر Avago HCPL-0631
ولتاژ جداسازی تا 5kVrms
نسبت رد حالت معمول (CMRR) به 120dB افزایش یافت
جریان نشتی را در پایانه های ورودی و خروجی در محدوده 0.1 μ A کنترل کنید
جداساز دیجیتال جدید محدودیت پهنای باند اپتوکوپلرهای سنتی را بیشتر می شکند. جداساز ADuM5401 ADI از فناوری کوپلینگ مغناطیسی برای دستیابی به ایزولاسیون 5 کیلو ولت در حالی که از نرخ داده 2 مگابیت بر ثانیه پشتیبانی می کند، استفاده می کند و مصرف برق 60 درصد نسبت به کوپلرهای اپتوکوپلر سنتی کاهش می یابد.

3، تجزیه و تحلیل سناریوی کاربردی معمولی
1. تجهیزات پزشکی قابل حمل
در دستگاه‌هایی که با باتری کار می‌کنند مانند اندازه‌گیری قند خون و اولتراسوند قابل حمل، کاهش نویز دیود باید کارایی و فضا را متعادل کند. یک اکسیمتر نوک انگشت خاص از طرح زیر استفاده می کند:

ترمینال ورودی: دیود SMBJ5.0CA TVS برای حفاظت ESD (تخلیه تماس ± 15 کیلوولت)
فرآیند یکسوسازی: دیود شاتکی دوگانه BAT54S تلفات هدایت (VF) را کاهش می‌دهد= 0.2V@1A)
ترمینال خروجی: دیود گیره BAV99 اضافه ولتاژ را به 0.5- تا 3.8 ولت محدود می کند.
این راه حل دستگاه را قادر می سازد تا ریپل خروجی را در ولتاژ 10 میلی ولت کنترل کند و عمر باتری را تا 20 درصد تحت منبع تغذیه باتری 1.8 ولت افزایش دهد.

2. تجهیزات تصویربرداری پزشکی با دقت بالا
در تجهیزات بزرگ مانند MRI و CT، نویز منبع تغذیه مستقیماً بر کیفیت تصویربرداری تأثیر می گذارد. منبع تغذیه تقویت‌کننده گرادیان MRI 3.0T از موارد زیر استفاده می‌کند:

ترکیب سی سی ماسفت و دیود سی سی شاتکی
شبکه بافر چند سطحی DCR
ساختار محافظ ساندویچ فویل مس فریت فویل مس
تحقق پایداری ولتاژ خروجی 0.005 ± درصد و امواج مغناطیسی گرادیان<0.01%, meeting the requirements of DICOM standard for imaging uniformity.

3. وسایل پزشکی قابل کاشت
در دستگاه‌های قابل کاشت مانند ضربان‌سازها و محرک‌های عصبی، کاهش نویز دیود باید الزامات زیست سازگاری و مصرف انرژی فوق‌العاده-کم را برآورده کند. منبع تغذیه محرک عصبی حلقه بسته مشخصی از موارد زیر استفاده می کند:

فتودیود جریان نشتی کم با عملیات غیرفعال سازی سطحی
دیود TVS بسته بندی شده 0402 برای حفاظت ESD
مدار بایاس دینامیک مصرف برق ساکن را کاهش می دهد
عمر کاری دستگاه را به بیش از 10 سال با منبع تغذیه باتری لیتیوم{2} یونی 3.7 ولت افزایش دهید و استاندارد زیست سازگاری ISO 10993 را رعایت کنید.