¿Cómo reducir el ruido en el suministro de energía de instrumentos médicos a través de diodos?

一, Trazabilidad del ruido: el desafío del ruido del suministro de energía médica
El ruido de la fuente de alimentación de instrumentos médicos proviene principalmente de tres dimensiones:

Ruido intrínseco de los dispositivos: el ruido de fondo fundamental está compuesto por ruido de disparo, ruido térmico y ruido 1/f de dispositivos de potencia como diodos y MOSFET. Por ejemplo, cuando los diodos Schottky tienen polarización inversa, su capacitancia de unión y su inductancia parásita producirán oscilaciones de alta-frecuencia, formando picos de ruido en el rango de frecuencia de 0,1 a 100 MHz.
Ruido de conmutación: en topologías de energía aisladas como flyback y LLC, el proceso de recuperación inversa de los diodos de energía puede generar fuertes interferencias electromagnéticas (EMI). Tomando como ejemplo una determinada fuente de alimentación de desfibrilador médico, su diodo rectificador de salida puede generar picos de voltaje de hasta 50 V/ns durante la recuperación inversa, lo que resulta en una ondulación de salida de hasta 200 mV.
Interferencia conducida: Las sobretensiones, descargas electrostáticas (ESD) y otros eventos en el extremo de entrada de la red eléctrica se conducirán al interior del equipo a través de la línea eléctrica. El estándar IEC 60601-1 requiere que los equipos médicos controlen la corriente de fuga de los circuitos auxiliares del paciente dentro de 10 μ A durante las pruebas de corriente de contacto, lo que impone requisitos estrictos sobre la supresión de ruido del extremo frontal de la fuente de alimentación.
2, matriz de tecnología de reducción de ruido de diodo
1. Optimización de la función de recuperación inversa
En convertidores CC-CC aislados, el uso de diodos de recuperación rápida (FRD) o diodos Schottky de carburo de silicio (SiC) puede reducir significativamente el ruido de conmutación. Por ejemplo, en una fuente de alimentación portátil para diagnóstico por ultrasonido, la sustitución del tradicional diodo de recuperación ultrarrápida (UFRD) basado en silicio-por un diodo Schottky de SiC:

Tiempo de recuperación inversa reducido de 35 ns a 5 ns
Ondulación de salida reducida de 150 mV a 45 mV
La eficiencia aumentó en 3,2 puntos porcentuales
La alta intensidad de campo de ruptura crítica (3MV/cm) de los diodos de SiC los hace más ventajosos en aplicaciones de alto-voltaje. En el generador de alto voltaje-de rayos X de las máquinas de TC médicas, el uso de una matriz de diodos Schottky de SiC de 650 V puede reducir la pérdida de recuperación inversa en un 80 % y lograr una estabilidad del voltaje de salida de ± 0,01 %.

2. Matriz de diodos de supresión de ruido
Para la supresión del ruido de alta-frecuencia, se puede construir una red de amortiguación de resistencia de condensador de diodo (DCR). En una determinada fuente de alimentación de estimulador neuronal implantable, un circuito amortiguador RC de 10 Ω/100 pF está conectado en paralelo a través del diodo rectificador de salida:

Oscilaciones de alta-frecuencia suprimidas por encima de 10 MHz
Reduzca la densidad del ruido de salida de 15 nV/√ Hz a 3 nV/√ Hz
Cumplir con los requisitos de IEC 60601-1 para la compatibilidad electromagnética de dispositivos implantables.
Una solución más avanzada es utilizar un módulo de supresión de ruido integrado. Por ejemplo, la matriz de diodos de la serie TLN201 lanzada por Tianling Arrow Company puede lograr:

Protección contra rayos de 8kV
Atenuación EMI de 100 dB
Control de corriente de fuga de 0,1 μ A
3. Tecnología de aislamiento de acoplamiento optoelectrónico
En las fuentes de alimentación médicas que requieren aislamiento eléctrico, la combinación de diodos emisores de luz (LED) y fotodiodos en optoacopladores puede lograr un aislamiento completo entre las señales y las fuentes de alimentación. Tomando como ejemplo la fuente de alimentación aislada de un determinado monitor médico:

Adopción del optoacoplador Avago HCPL-0631
Tensión de aislamiento de hasta 5 kVrms
La relación de rechazo del modo común (CMRR) aumentó a 120 dB
Controle la corriente de fuga en los terminales de entrada y salida dentro de 0,1 μ A
El nuevo aislador digital supera aún más la limitación del ancho de banda de los optoacopladores tradicionales. El aislador ADuM5401 de ADI utiliza tecnología de acoplamiento magnético para lograr un aislamiento de 5 kV y al mismo tiempo admite una velocidad de datos de 2 Mbps, con un consumo de energía reducido en un 60 % en comparación con los optoacopladores tradicionales.

3. Análisis de escenarios de aplicación típicos.
1. Dispositivos médicos portátiles
En dispositivos que funcionan con baterías, como medidores de glucosa en sangre y ultrasonidos portátiles, la reducción de ruido con diodos debe equilibrar la eficiencia y el espacio. Cierto oxímetro de dedo adopta el siguiente esquema:

Terminal de entrada: diodo SMBJ5.0CA TVS para protección ESD (descarga de contacto ± 15 kV)
Proceso de rectificación: el diodo Schottky dual BAT54S reduce la pérdida de conducción (VF)= 0.2V@1A)
Terminal de salida: el diodo de abrazadera BAV99 limita la sobretensión a -0,5 V ~ 3,8 V
Esta solución permite que el dispositivo controle la ondulación de salida dentro de 10 mV y extienda la vida útil de la batería en un 20 % con una fuente de alimentación de batería de 1,8 V.

2. Equipos de imágenes médicas de alta precisión.
En equipos grandes como MRI y CT, el ruido de la fuente de alimentación afecta directamente la calidad de la imagen. Cierta fuente de alimentación del amplificador de gradiente de MRI 3.0T utiliza:

Combinación de diodos SiC MOSFET y SiC Schottky
Red de búfer DCR multinivel
Estructura de blindaje sándwich de lámina de cobre de ferrita de lámina de cobre
Obtenga una estabilidad del voltaje de salida de ± 0,005% y una ondulación del campo magnético gradiente de<0.01%, meeting the requirements of DICOM standard for imaging uniformity.

3. Dispositivos médicos implantables
En dispositivos implantables como marcapasos y estimuladores nerviosos, la reducción de ruido por diodo debe cumplir con los requisitos de biocompatibilidad y consumo de energía ultra-bajo. Cierta fuente de alimentación de estimulador neuronal-de circuito cerrado utiliza:

Fotodiodo de baja corriente de fuga con tratamiento de pasivación superficial.
Diodo TVS empaquetado 0402 para protección ESD
El circuito de polarización dinámica reduce el consumo de energía estática
Amplíe la vida útil del dispositivo a más de 10 años con una fuente de alimentación de batería de iones de litio-de 3,7 V y cumpla con el estándar de biocompatibilidad ISO 10993.