Wie kann das Rauschen bei der Stromversorgung medizinischer Instrumente durch Dioden reduziert werden?

一, Rückverfolgbarkeit von Lärm: Die Lärmherausforderung der medizinischen Stromversorgung
Der Lärm der Stromversorgung medizinischer Instrumente entsteht hauptsächlich aus drei Dimensionen:

Eigenrauschen von Geräten: Das Grundrauschen setzt sich aus Schrotrauschen, thermischem Rauschen und 1/f-Rauschen von Leistungsgeräten wie Dioden und MOSFETs zusammen. Wenn beispielsweise Schottky-Dioden in Sperrrichtung vorgespannt sind, erzeugen ihre Sperrschichtkapazität und parasitäre Induktivität hochfrequente Schwingungen, die Rauschspitzen im Frequenzbereich von 0,1–100 MHz bilden.
Schaltrauschen: In isolierten Stromversorgungstopologien wie Flyback und LLC kann der Reverse-Recovery-Prozess von Leistungsdioden starke elektromagnetische Störungen (EMI) erzeugen. Nehmen wir als Beispiel ein bestimmtes medizinisches Defibrillator-Netzteil: Seine Ausgangsgleichrichterdiode kann während der Rückwärtswiederherstellung Spannungsspitzen von bis zu 50 V/ns erzeugen, was zu einer Ausgangswelligkeit von bis zu 200 mV führt.
Leitungsgebundene Störungen: Überspannungen, elektrostatische Entladungen (ESD) und andere Ereignisse am Eingang des Netzstroms werden über die Stromleitung in das Innere des Geräts geleitet. Die Norm IEC 60601-1 verlangt von medizinischen Geräten, dass sie den Leckstrom von Hilfsstromkreisen des Patienten während der Kontaktstromprüfung auf einen Wert von 10 μA kontrollieren, was strenge Anforderungen an die Rauschunterdrückung des Netzteil-Frontends stellt.
2, Matrix der Diodenrauschunterdrückungstechnologie
1. Optimierung der Reverse-Recovery-Funktion
In isolierten DC-DC-Wandlern kann der Einsatz von Fast-Recovery-Dioden (FRDs) oder Siliziumkarbid-Schottky-Dioden (SiC) das Schaltrauschen deutlich reduzieren. Beispielsweise wird in einem tragbaren Netzteil für die Ultraschalldiagnose die herkömmliche Silizium-basierte Ultrafast-Recovery-Diode (UFRD) durch eine SiC-Schottky-Diode ersetzt:

Die Reverse-Recovery-Zeit wurde von 35 ns auf 5 ns reduziert
Die Ausgangswelligkeit wurde von 150 mV auf 45 mV reduziert
Effizienzsteigerung um 3,2 Prozentpunkte
Die hohe kritische Durchbruchfeldstärke (3 MV/cm) von SiC-Dioden macht sie für Hochspannungsanwendungen vorteilhafter. Im Röntgen-Hochspannungsgenerator medizinischer CT-Geräte kann der Einsatz einer 650-V-SiC-Schottky-Diodenanordnung den Rückwärtsverzögerungsverlust um 80 % reduzieren und eine Ausgangsspannungsstabilität von ± 0,01 % erreichen.

2. Diodenarray zur Rauschunterdrückung
Zur Unterdrückung von hochfrequentem Rauschen kann ein Puffernetzwerk mit Dioden-Kondensator-Widerständen (DCR) aufgebaut werden. In einer bestimmten Stromversorgung für implantierbare Nervenstimulatoren ist eine 10 Ω/100 pF RC-Pufferschaltung parallel zur Ausgangsgleichrichterdiode geschaltet:

Unterdrückte hochfrequente Schwingungen über 10 MHz
Reduzieren Sie die Ausgangsrauschdichte von 15 nV/√ Hz auf 3 nV/√ Hz
Erfüllen Sie die Anforderungen der IEC 60601-1 für die elektromagnetische Verträglichkeit implantierbarer Geräte
Eine fortschrittlichere Lösung ist die Verwendung eines integrierten Rauschunterdrückungsmoduls. Beispielsweise kann das von der Tianling Arrow Company eingeführte Diodenarray der TLN201-Serie Folgendes erreichen:

8kV Blitzschutz
100 dB EMI-Dämpfung
0,1 μA Leckstromregelung
3. Optoelektronische Kopplungsisolationstechnologie
Bei medizinischen Stromversorgungen, die eine galvanische Trennung erfordern, kann durch die Kombination von Leuchtdioden (LEDs) und Fotodioden in Optokopplern eine vollständige Isolierung zwischen Signalen und Stromversorgungen erreicht werden. Am Beispiel der isolierten Stromversorgung eines bestimmten medizinischen Monitors:

Einführung des Optokopplers Avago HCPL-0631
Isolationsspannung bis zu 5 kVrms
Das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) wurde auf 120 dB erhöht
Kontrollieren Sie den Leckstrom an den Eingangs- und Ausgangsklemmen innerhalb von 0,1 μA
Der neue digitale Isolator durchbricht die Bandbreitenbeschränkung herkömmlicher Optokoppler. Der Isolator ADuM5401 von ADI nutzt magnetische Kopplungstechnologie, um eine 5-kV-Isolation zu erreichen und gleichzeitig eine Datenrate von 2 Mbit/s zu unterstützen, wobei der Stromverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Optokopplern um 60 % reduziert wird.

3, Analyse typischer Anwendungsszenarien
1. Tragbare medizinische Geräte
Bei batteriebetriebenen Geräten wie Blutzuckermessgeräten und tragbaren Ultraschallgeräten muss die Rauschunterdrückung durch Dioden ein Gleichgewicht zwischen Effizienz und Platzbedarf finden. Ein bestimmtes Fingerspitzenoximeter verwendet das folgende Schema:

Eingangsklemme: SMBJ5.0CA TVS-Diode für ESD-Schutz (± 15 kV Kontaktentladung)
Gleichrichtungsprozess: Die Dual-Schottky-Diode BAT54S reduziert den Leitungsverlust (VF)= 0.2V@1A )
Ausgangsklemme: Die Klemmdiode BAV99 begrenzt die Überspannung auf -0,5 V bis 3,8 V
Diese Lösung ermöglicht es dem Gerät, die Ausgangswelligkeit innerhalb von 10 mV zu steuern und die Batterielebensdauer bei 1,8 V Batteriestromversorgung um 20 % zu verlängern.

2. Hochpräzise medizinische Bildgebungsgeräte
Bei großen Geräten wie MRT und CT wirkt sich das Rauschen der Stromversorgung direkt auf die Bildqualität aus. Ein bestimmtes 3,0-T-MRT-Gradientenverstärker-Netzteil verwendet:

Kombination aus SiC-MOSFET und SiC-Schottky-Dioden
Mehrstufiges DCR-Puffernetzwerk
Kupferfolien-Ferrit-Kupferfolien-Sandwich-Abschirmstruktur
Erzielen Sie eine Ausgangsspannungsstabilität von ± 0,005 % und eine Gradientenmagnetfeldwelligkeit von<0.01%, meeting the requirements of DICOM standard for imaging uniformity.

3. Implantierbare medizinische Geräte
Bei implantierbaren Geräten wie Herzschrittmachern und Nervenstimulatoren muss die Diodenrauschunterdrückung die Anforderungen der Biokompatibilität und eines extrem niedrigen Stromverbrauchs erfüllen. Eine bestimmte Stromversorgung für neuronale Stimulatoren mit geschlossenem Regelkreis verwendet Folgendes:

Fotodiode mit geringem Leckstrom und Oberflächenpassivierungsbehandlung
TVS-Diode im 0402-Gehäuse zum ESD-Schutz
Die dynamische Vorspannungsschaltung reduziert den statischen Stromverbrauch
Verlängern Sie die Lebensdauer des Geräts auf über 10 Jahre bei Stromversorgung mit einem 3,7-V-Lithium-Ionen-Akku und erfüllen Sie die Biokompatibilitätsnorm ISO 10993.