Come ridurre il rumore nell'alimentazione degli strumenti medicali tramite diodi?

一, Tracciabilità del rumore: la sfida del rumore nell'alimentazione medicale
Il rumore dell'alimentazione degli strumenti medicali deriva principalmente da tre dimensioni:

Rumore intrinseco dei dispositivi: il rumore di fondo fondamentale è composto da rumore di ripresa, rumore termico e rumore 1/f proveniente da dispositivi di potenza come diodi e MOSFET. Ad esempio, quando i diodi Schottky sono polarizzati inversamente, la loro capacità di giunzione e induttanza parassita produrranno oscillazioni ad alta-frequenza, formando picchi di rumore nell'intervallo di frequenza compreso tra 0,1 e 100 MHz.
Rumore di commutazione: nelle topologie di alimentazione isolate come flyback e LLC, il processo di recupero inverso dei diodi di potenza può generare forti interferenze elettromagnetiche (EMI). Prendendo come esempio l'alimentatore di un certo defibrillatore medico, il suo diodo raddrizzatore di uscita può generare picchi di tensione fino a 50 V/ns durante il recupero inverso, con conseguente ondulazione di uscita fino a 200 mV.
Interferenza condotta: sovratensioni, scariche elettrostatiche (ESD) e altri eventi all'estremità di ingresso dell'alimentazione di rete verranno condotti all'interno dell'apparecchiatura attraverso la linea di alimentazione. Lo standard IEC 60601-1 richiede che le apparecchiature mediche controllino la corrente di dispersione dei circuiti ausiliari del paziente entro 10 μ A durante il test della corrente di contatto, il che impone requisiti rigorosi sulla soppressione del rumore del front-end dell'alimentatore.
2, matrice della tecnologia di riduzione del rumore dei diodi
1. Ottimizzazione della funzionalità di ripristino inverso
Nei convertitori CC-CC isolati, l'uso di diodi a recupero rapido (FRD) o di diodi Schottky al carburo di silicio (SiC) può ridurre significativamente il rumore di commutazione. Ad esempio, in un alimentatore diagnostico a ultrasuoni portatile, sostituendo il tradizionale diodo a recupero ultraveloce (UFRD) a base di silicio- con un diodo Schottky SiC:

Tempo di recupero inverso ridotto da 35ns a 5ns
Ondulazione in uscita ridotta da 150 mV a 45 mV
L'efficienza è aumentata di 3,2 punti percentuali
L'elevata intensità di campo di rottura critica (3 MV/cm) dei diodi SiC li rende più vantaggiosi nelle applicazioni ad alta-tensione. Nel generatore di alta-tensione a raggi X delle macchine TC medicali, l'utilizzo di una serie di diodi Schottky SiC da 650 V può ridurre la perdita di recupero inverso dell'80% e raggiungere una stabilità della tensione di uscita di ± 0,01%.

2. Serie di diodi di soppressione del rumore
Per la soppressione del rumore ad alta-frequenza, è possibile costruire una rete buffer con resistore-condensatore a diodi (DCR). In un determinato alimentatore per stimolatore neurale impiantabile, un circuito buffer RC da 10 Ω/100 pF è collegato in parallelo al diodo raddrizzatore di uscita:

Oscillazioni ad alta-frequenza superiori a 10 MHz soppresse
Ridurre la densità del rumore in uscita da 15 nV/√ Hz a 3 nV/√ Hz
Soddisfare i requisiti della norma IEC 60601-1 per la compatibilità elettromagnetica dei dispositivi impiantabili
Una soluzione più avanzata consiste nell'utilizzare un modulo di soppressione del rumore integrato. Ad esempio, la serie di diodi serie TLN201 lanciata dalla Tianling Arrow Company può ottenere:

Protezione contro i fulmini da 8 kV
Attenuazione EMI di 100 dB
Controllo della corrente di dispersione 0,1 μA
3. Tecnologia di isolamento dell'accoppiamento optoelettronico
Negli alimentatori medicali che richiedono isolamento elettrico, la combinazione di diodi emettitori di luce (LED) e fotodiodi negli accoppiatori ottici può ottenere un isolamento completo tra segnali e alimentatori. Prendendo come esempio l'alimentazione isolata di un determinato monitor medicale:

Adozione dell'accoppiatore ottico Avago HCPL-0631
Tensione di isolamento fino a 5kVrms
Il rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) è aumentato a 120 dB
Controllare la corrente di dispersione sui terminali di ingresso e di uscita entro 0,1 μ A
Il nuovo isolatore digitale supera ulteriormente i limiti di larghezza di banda dei tradizionali optoaccoppiatori. L'isolatore ADuM5401 di ADI utilizza la tecnologia di accoppiamento magnetico per ottenere un isolamento di 5 kV supportando al contempo una velocità dati di 2 Mbps, con un consumo energetico ridotto del 60% rispetto ai tradizionali optoaccoppiatori.

3, analisi dello scenario applicativo tipico
1. Dispositivi medici portatili
Nei dispositivi alimentati a batteria come i misuratori di glicemia e gli ultrasuoni portatili, la riduzione del rumore del diodo deve bilanciare efficienza e spazio. Un certo ossimetro da dito adotta il seguente schema:

Terminale di ingresso: diodo TVS SMBJ5.0CA per protezione ESD (scarica a contatto ± 15 kV)
Processo di rettifica: il doppio diodo Schottky BAT54S riduce la perdita di conduzione (VF)= 0.2V@1A)
Terminale di uscita: il diodo morsetto BAV99 limita la sovratensione a -0,5 V~3,8 V
Questa soluzione consente al dispositivo di controllare l'ondulazione di uscita entro 10 mV e di prolungare la durata della batteria del 20% con un'alimentazione a batteria da 1,8 V.

2. Apparecchiature per imaging medico ad alta precisione
Nelle apparecchiature di grandi dimensioni come la risonanza magnetica e la TC, il rumore dell'alimentazione influisce direttamente sulla qualità dell'immagine. Un determinato alimentatore dell'amplificatore a gradiente MRI da 3,0 T utilizza:

Combinazione di MOSFET SiC e diodi Schottky SiC
Rete buffer DCR multi livello
Struttura schermante sandwich in lamina di rame con ferrite e lamina di rame
Realizza una stabilità della tensione di uscita di ± 0,005% e un'ondulazione del campo magnetico gradiente<0.01%, meeting the requirements of DICOM standard for imaging uniformity.

3. Dispositivi medici impiantabili
Nei dispositivi impiantabili come pacemaker e stimolatori nervosi, la riduzione del rumore dei diodi deve soddisfare i requisiti di biocompatibilità e di consumo energetico ultra-basso. Un determinato alimentatore per stimolatore neurale-a circuito chiuso utilizza:

Fotodiodo a bassa corrente di dispersione con trattamento di passivazione superficiale
Diodo TVS packaged 0402 per protezione ESD
Il circuito di polarizzazione dinamica riduce il consumo di energia statica
Estendi la durata operativa del dispositivo a oltre 10 anni con alimentazione tramite batteria agli ioni di litio da 3,7 V e soddisfa lo standard di biocompatibilità ISO 10993.