Como reduzir o ruído na fonte de alimentação de instrumentos médicos através de diodos?

一, Rastreabilidade de ruído: o desafio do ruído na fonte de alimentação médica
O ruído da fonte de alimentação de instrumentos médicos vem principalmente de três dimensões:

Ruído intrínseco de dispositivos: O piso de ruído fundamental é composto por ruído de disparo, ruído térmico e ruído 1/f de dispositivos de potência, como diodos e MOSFETs. Por exemplo, quando os diodos Schottky são polarizados reversamente, sua capacitância de junção e indutância parasita produzirão oscilações de alta-frequência, formando picos de ruído na faixa de frequência de 0,1-100MHz.
Ruído de comutação: Em topologias de energia isoladas, como flyback e LLC, o processo de recuperação reversa de diodos de potência pode gerar forte interferência eletromagnética (EMI). Tomando como exemplo uma determinada fonte de alimentação de desfibrilador médico, seu diodo retificador de saída pode gerar picos de tensão de até 50 V/ns durante a recuperação reversa, resultando em ondulação de saída de até 200 mV.
Interferência conduzida: Sobretensões, descargas eletrostáticas (ESD) e outros eventos na extremidade de entrada da rede elétrica serão conduzidos para o interior do equipamento através da linha de alimentação. A norma IEC 60601-1 exige que equipamentos médicos controlem a corrente de fuga dos circuitos auxiliares do paciente dentro de 10 μA durante o teste de corrente de contato, o que impõe requisitos rigorosos à supressão de ruído do front-end da fonte de alimentação.
2, matriz de tecnologia de redução de ruído de diodo
1. Otimização do recurso de recuperação reversa
Em conversores CC-CC isolados, o uso de diodos de recuperação rápida (FRDs) ou diodos Schottky de carboneto de silício (SiC) pode reduzir significativamente o ruído de comutação. Por exemplo, em uma fonte de alimentação portátil para diagnóstico de ultrassom, substituindo o tradicional diodo de recuperação ultrarrápida (UFRD) baseado em silício por um diodo SiC Schottky:

Tempo de recuperação reversa reduzido de 35ns para 5ns
Ondulação de saída reduzida de 150mV para 45mV
A eficiência aumentou 3,2 pontos percentuais
A alta intensidade de campo de ruptura crítica (3MV/cm) dos diodos de SiC os torna mais vantajosos em aplicações de alta-tensão. No gerador de-alta tensão-de raios X de máquinas médicas de tomografia computadorizada, o uso de um conjunto de diodos SiC Schottky de 650V pode reduzir a perda de recuperação reversa em 80% e alcançar estabilidade de tensão de saída de ± 0,01%.

2. Matriz de diodos de supressão de ruído
Para supressão de ruído de alta-frequência, uma rede de buffer de resistor de diodo e capacitor (DCR) pode ser construída. Em uma determinada fonte de alimentação de estimulador neural implantável, um circuito buffer RC de 10 Ω/100pF é conectado em paralelo através do diodo retificador de saída:

Oscilações de alta-frequência suprimidas acima de 10 MHz
Reduza a densidade do ruído de saída de 15nV/√ Hz para 3nV/√ Hz
Atenda aos requisitos da IEC 60601-1 para compatibilidade eletromagnética de dispositivos implantáveis
Uma solução mais avançada é usar um módulo de supressão de ruído integrado. Por exemplo, o conjunto de diodos da série TLN201 lançado pela Tianling Arrow Company pode alcançar:

Proteção contra raios de 8kV
Atenuação EMI de 100dB
Controle de corrente de fuga de 0,1 μA
3. Tecnologia de isolamento de acoplamento optoeletrônico
Em fontes de alimentação médicas que requerem isolamento elétrico, a combinação de diodos emissores de luz (LEDs) e fotodiodos em optoacopladores pode alcançar o isolamento completo entre sinais e fontes de alimentação. Tomando como exemplo a fonte de alimentação isolada de um determinado monitor médico:

Adotando o optoacoplador Avago HCPL-0631
Tensão de isolamento até 5kVrms
Taxa de rejeição de modo comum (CMRR) aumentada para 120dB
Controle a corrente de fuga nos terminais de entrada e saída dentro de 0,1 μ A
O novo isolador digital rompe ainda mais a limitação de largura de banda dos optoacopladores tradicionais. O isolador ADuM5401 da ADI usa tecnologia de acoplamento magnético para obter isolamento de 5kV, ao mesmo tempo que suporta uma taxa de dados de 2Mbps, com consumo de energia reduzido em 60% em comparação com optoacopladores tradicionais.

3, Análise típica de cenário de aplicação
1. Dispositivos médicos portáteis
Em dispositivos alimentados por bateria, como medidores de glicose no sangue e ultrassom portátil, a redução de ruído do diodo precisa equilibrar eficiência e espaço. Um certo oxímetro de dedo adota o seguinte esquema:

Terminal de entrada: diodo TVS SMBJ5.0CA para proteção ESD (descarga de contato de ± 15kV)
Processo de retificação: o diodo Schottky duplo BAT54S reduz a perda de condução (VF)= 0.2V@1A)
Terminal de saída: o diodo de fixação BAV99 limita a sobretensão a -0,5 V ~ 3,8 V
Esta solução permite que o dispositivo controle a ondulação de saída dentro de 10mV e estenda a vida útil da bateria em 20% sob fonte de alimentação de bateria de 1,8V.

2. Equipamento de imagem médica de alta precisão
Em equipamentos de grande porte, como ressonância magnética e tomografia computadorizada, o ruído da fonte de alimentação afeta diretamente a qualidade da imagem. Uma certa fonte de alimentação do amplificador gradiente de ressonância magnética 3.0T usa:

Combinação de diodo SiC MOSFET e SiC Schottky
Rede buffer DCR multinível
Estrutura de blindagem em sanduíche de folha de cobre ferrite de folha de cobre
Obtenha estabilidade de tensão de saída de ± 0,005% e ondulação de campo magnético gradiente de<0.01%, meeting the requirements of DICOM standard for imaging uniformity.

3. Dispositivos médicos implantáveis
Em dispositivos implantáveis, como marca-passos e estimuladores de nervos, a redução de ruído do diodo precisa atender aos requisitos de biocompatibilidade e consumo de energia ultra-baixo. Uma determinada fonte de alimentação de estimulador neural-de circuito fechado usa:

Fotodiodo de baixa corrente de fuga com tratamento de passivação de superfície
Diodo TVS empacotado 0402 para proteção ESD
Circuito de polarização dinâmica reduz o consumo de energia estática
Prolongue a vida útil do dispositivo para mais de 10 anos com fonte de alimentação de bateria de íons de lítio de 3,7 V e atenda ao padrão de biocompatibilidade ISO 10993.