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崛起中的醫療設備隔離技術

( 01 Feb 2007 )
作者：Charles H. Small, EDN, 特約技術編輯

根據DataBeans的資料顯示，醫療電子產品在工業半導體市場中的佔有率很小，但卻是獲利的主要部分。在2005年，醫療電子產品只佔259億美元工業半導體市場的8%，或大約21億美元。醫療電子業正在以每年11%的速度成長，因此成為工業半導體市場中成長最快的領域，預計此市場的總收入將在2011年超過40億美元。

DataBeans將醫療電子產品劃分為三個主要類型，診斷與治療、家用，以及影像。診斷與治療部分佔總收入大約48%，家用部分佔37%，而影像則佔15%。由於看護和治療都正在逐漸從診所轉入家庭，家庭市場成長率最快，達到年平均12%，其後是影像為11%，而診斷與治療部分的聯合成長為10%。保險業正在研究病人接受醫療方式的重要變化。為降低成本，醫院和診所治療病人的時間比以前大大縮短。透過將治療和看護移入家庭，保險公司可以節省數十億美元，而家用醫療電子產品的成長則為半導體供應商創造了很多機會。

商用電源
獲得隔離電源的方法之一是簡單地採用商用醫療電源，例如GlobTek的350W、4×8-in電源就適合醫療應用。GT(M) 200P350系列可提供高達350W的連續輸出功率，能以0.1V增量提供3.3至48V的穩壓輸出電壓，並有遠端檢測功能。效率規格典型值是85%。電源採用鋁制U-channel機箱，有可選上蓋，對流冷卻下額定200W，強制風冷額定值高達350W。電源有一個直流power-good訊號，並具備電流共用能力。其符合IEC(國際電工委員會)3000-3 2 Class A的主動PFC(電源因數校正)的功能，對於歐洲市場非常重要。電源可接受90至264V交流電壓，有一個Class B EMI濾波器，以及內置過流、短路、過壓和過熱保護。外形尺寸從196×107×46 mm起，並滿足UL(美國保險商實驗所)和TUV(Technischer Uberwachungs-Verein，技術監督協會)60950/60601.1標準。此產品還符合消費電子的EMC(電磁相容)要求，以及FCC(聯邦通訊委員會)Class B應用要求。所有型號都具有UL、DEMKO(丹麥機電材料管理局)、PSE(產品安全工程)以及CE(消費電子)標誌，以及獨立認證實驗室簽發的報告。

UL2601-1在132V交流60Hz下測量時，地線連接中的洩漏電流為50μA(額定)/78μA(故障情況)，如按IEC60601-1在264V交流50 Hz下測量則為94μA(額定)/156μA(故障情況)。所有型號都內置EMI濾波功能，以滿足下列輻射要求，例如傳導輻射EN55011 Class B、FCC Class B、靜電放電EN61000-4-2，6 kV觸點，8kV空氣；RF電場敏感度EN61000-4-3，3V/m，以及快速瞬態/突發 EN61000-4-4，2 kV，5 kHz。
Power-One提供ESM系列交、直流模組電源。其輸入電壓範圍從88至264V AC，頻率為47至63Hz。對ESM4B、ESM4C、ESM6C和ESM6D系列電源，按 EN60601-1在250V AC、60Hz測量出的對地洩漏電流均為300μA。ESM4和ESM6模組化AC/DC電源的洩漏電流符合IEC601-1。ESM4系列有400W和600W兩種結構，均能以2.56×5×10.63-in機殼提供多至八個輸出。ESM6系列有600W和1000W版本，能提供多達12個輸出。可以將五個單輸出模組和兩個雙輸出模組作串並聯組合，以獲得1.45至58V DC輸出電壓。

自製電源
當然，你也可以設計自己的電源，並提交作認證。德州儀器公司的UCC28600 PWM控制器有綠色能源功能，可滿足全球嚴格的能效要求。UCC28600還與節能功能整合高級保護功能。UCC28600具有頻率回送和突發工作模式，可降低輕載和無負載時的工作頻率(圖1)。UCC28600現有8腳SOIC和PDIP封裝，工作溫度範圍從40至+105°C。

德州儀器公司還提供微型封裝的1W非穩壓DC/DC轉換器，隔離電壓為3kV。DCH01系列插入式電源模組從5V輸入提供單5V、12V和15V電壓，以及互補的±5、±12和±15V雙電壓輸出。這些模組的效率高達85%，滿足UL60950的3kV RMS隔離規範以及EN55022 Class B EMC性能要求，適合醫療儀器應用。模組支援的工作溫度範圍是–40至+85°C，可以為TI的ISO721和ISO721M高速數位隔離器供電。另外，DCH01 還提供高效負載點電源轉換，並且為雜訊敏感應用消除了接地回路。

DCH01採用可靠的PC電路板結構，工業標準20×8×10-mm SIP-7封裝符合無鉛和ROHS(減少有害物質)要求。DCH01使用開放式設計，因而省去了其他產品中經常看到的陶封工序，提高了可靠性。DCH01系列的價格為4. 25美元(每千片單價)。

並不是所有隔離電源IC都需要光耦，Linear公司的LT1725單片開關穩壓控制器的目標採用了隔離反激結構。它驅動一個外接MOSFET的柵極，並從第三個變壓器繞組獲得能量。這些功能針對的是輸入電壓只受外接供電路徑元件限制的應用。第三個變壓器繞組還可以提供輸出電壓回饋資訊，這樣就不需要光耦。其柵極驅動能力與一支適當的外接MOSFET相結合，可以提供高達幾十瓦的負載功率。
LT1725有一系列其他多數開關穩壓IC所不具備的功能，使用電流模式開關技術，提供出色的交、直流線路調整率。其獨特的控制電路可以在大多數應用中將穩壓保持在間斷模式。可選的負載補償電路可以改進負載調整率。可選的欠壓鎖定端可以在輸入電壓過低時停止運行。可選的外接電容實現軟起動功能。在初端應用電路供電電流達數毫安培時，可以有3V輸出。

Linear公司的LT3825隔離開關穩壓控制器鎖定需要更高輸出電流的應用，用於中等功率的反激電路(圖2)。典型應用為10至60W，輸入電壓只受外接供電路徑元件的限制。第三個變壓器繞組提供輸出電壓回饋。LT3825電流模式控制器透過反激期間從變壓器繞組檢測到的次級電壓，調整輸出電壓。這種結構無需使用光耦，即可實現嚴格的輸出調整，改進了動態回應與可靠性。同步整流可提高轉換器效率，改善多輸出轉換器的輸出交叉調整率。LT3825工作在強制連續導通模式，也強化多繞組應用中的交叉調整率。用戶可以編定開關頻率，並實現開關頻率的外同步。該元件亦具有負載補償、欠壓鎖定和軟啟動電路。
圖2中的電路是提供12A電流的同步隔離48V轉3.3V反激波形，沒有使用對元件敏感的次級電壓基準，以及驅動光耦的誤差放大器，而是用了反激變壓器T1上的初級偏置繞組。LT3825中的專利回饋電路在反激脈衝期間讀出該繞組上反映的輸出電壓資訊。然後電路將此電壓與一個精密內部基準源作比較，獲得一個誤差訊號。用此誤差訊號來轉換Q1的導通時間，調整輸出電壓。這種技術的主要好處是，控制器會在開關週期結束時立即獲得輸出電壓資訊。而在一個傳統光耦式設計中，僅光耦部分的延遲就有數十至數百微秒，大幅限制了轉換器的瞬態回應功能。

Linear公司的Kurk Mathews表示，buck轉換器設計者受益於最新buck控制器IC的簡單、高效和快速瞬態回應特點。這些IC採用同步整流和多相位交錯式功率級，不幸的是，buck轉換器的先關產品正激轉換器卻未必能實現這些功能，隔離的醫療應用經常用到正激轉換器。LTC3706次級同步控制器及配合使用的智慧柵極驅動器LTC3725能夠建立起一個隔離正激轉換器，並具備反激穩壓器的簡單與性能特點。很多隔離電源都將控制器IC放在輸入(初級)側，並依靠間接同步整流管時序和光耦回饋來控制輸出(次級)。(圖3)電路提供了使用較少元件，但更直接的方法。次級側使用LTC3706控制器，初級側使用帶自起動功能的LTC3725驅動器。當加上輸入電壓時，LTC3725開始輸出電壓的受控軟起動。當輸出電壓開始上升時，LTC3706次級控制器透過T1、D1和Q2快速上電。然後LTC3706透過訊號變壓器T2向LTC3725初級驅動器發送編碼的PWM柵極脈衝，控制輸出電壓。接著LTC3725作為單純的驅動器，透過T2同時接收輸入訊號和偏置電源。

隔離I/O
在各種醫療系統中，設計者要面對的挑戰是在兩點間傳送訊號，但避免電流的流動。解決這個問題的方法是採用一種隔直元件，它可以讓訊號在兩點間傳送，而阻止電流的透過。

除了在電源反饋回路中提供隔離以外，光耦還可以用於隔離I/O線。Avago技術公司最快的光耦是HPCL-7723，它運行在50Mbps，最大脈衝寬度失真為2 ns，傳播延遲為20 ns。Avago提供單、雙、三和四通道元件。HCNWxxx系列採用寬體封裝，它可以按照UL 1577承受1秒鐘最低5 kV rms隔離電壓。
Analog Devices將自己的iCoupler隔離技術用於晶片級變壓器，而不是光耦使用的LED和光電管。透過晶圓級製程，可以將變壓器直接製作在晶片上，於是能夠以低成本實現相互間或與其他半導體功能整合iCoupler通道。iCoupler變壓器為平面結構，採用CMOS金屬層和一個製作在晶圓鈍化頂層上的金層(圖 4)。金層下高擊穿率的polymide層將頂部變壓器線圈與下麵隔絕開來。連接到頂層和底層線圈的CMOS電路負責提供每個變壓器及週邊訊號的介面。

電路用1ns脈衝對輸入邏輯躍變作編碼，並送至一個變壓器的初級端。這些脈衝從一個變壓器線圈耦合到其他線圈，被變壓器次級端的電路檢測到。然後這些電路在輸出端重新建立輸入數位訊號。另外，輸入端的一個刷新電路確保輸出狀態與輸入狀態相匹配，即使不出現輸入躍變。

Analog Devices公司的ADuM240x系列產品是第一款額定隔離電壓高於2.5 kV rms 的產品。這些四通道隔離器符合ADuM140x的管腳與規格，但額定隔離電壓為5 kV rms。ADuM240x隔離器鎖定醫療和其他注重安全的應用，按照醫療設備標準IEC 60601-1作工作電壓250V rms的認證(強化絕緣)。另外還按照更常用標準EN60747-5-2，認證工作電壓達到500V rms。這些四通道隔離器現有三通道結構，每個有三種性能等級。ARW級支援的資料速率到1 Mbps，BRW級支援到10 Mbps資料速率，而CRW級則支援高達90 Mbps的資料速率。所有型號都工作在2.7至5.5 V，溫度範圍從–40到+105°C。

德州儀器公司提供兩個系列的高速數位隔離器，採用片上電容，實現更高訊號完整性下的更快資料傳輸。這些電容隔離器在最快的資料速率下也有高可靠性，可以提供高於電感元件的六階抗磁性，並且比高效能光耦的功耗低60%。

ISO721和ISO721M提供資料傳輸與電路保護功能，隔離工作電壓為560V，暫態過壓峰值為 4 kV。ISO721M適應需要低系統雜訊、快速數位資料傳輸的應用。ISO721則更靈活和健壯，可用於雜訊環境中的資料傳輸。這些元件均滿足UL 1577、IEC 60747-5-2和CSA Component Acceptance Notice 5A有關隔離器元件的標準。

Ti的隔離器使用片上的高壓電容，資料傳輸速率是常用的高效能光耦的三倍，而功耗卻更低。另外，TI的電容技術能抗禦工業環境中經常存在的外界磁場，避免影響訊號完整性。這些元件還對大電壓瞬變導致的資料損壞有很高的抵抗能力，最小保護級為 25 kV/μsec。
Ti的隔離器採用半導體級的氧化矽電介質。這種穩定的隔離器可提供經過驗證的可靠性和長使用壽命。這些要求是工業應用的關鍵，否則那裏的電壓浪湧會減小元件壽命。在典型的工作電壓下，每個元件的壽命預期可超過25年。

ISO721使用帶雜訊濾波器的TTL輸入，100 Mbps的傳輸速度，典型傳播延遲為17 ns，2 ns抖動(典型值)，支援3V或5V訊號。而ISO721M則是無雜訊濾波器的CMOS輸入，150 Mbps傳輸速度，典型傳播延遲為10 ns，1 ns抖動(典型值)。元件支援3V或5V訊號。ISO721和ISO721M元件都使用8腳SOIC封裝，價格為1.65美元(每千片單價)。現有評估模組。

作者簡介
Charles H Small為EDN的特約技術編輯，其聯絡方式為：charles.small@att.worldnet.net。

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