CMOS隔離器在醫(yī)療設(shè)備中的典型應(yīng)用

典型醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用

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圖2：心電圖（ECG）前端

心電圖應(yīng)用

圖2顯示了一個(gè)心電圖（ECG）前端框圖，來(lái)自設(shè)備放大器的模擬輸出經(jīng)過(guò)高通濾波器，然后通過(guò)串行ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)增強(qiáng)型（5kV）數(shù)字隔離器進(jìn)入控制器進(jìn)行處理。該數(shù)字隔離器每個(gè)通道都可進(jìn)行高達(dá)150Mbps“無(wú)瓶頸”數(shù)據(jù)傳輸。如果采用并行多個(gè)ADC輸出，則隔離功能可以使用少于4個(gè)的六通道隔離器實(shí)現(xiàn)（假設(shè)16位ADC）。

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圖3：基于ISOdriver的除顫器電源隔離

除顫器應(yīng)用

圖3顯示了除顫器電源部分，兩個(gè)高端/低端（high-side/low-side）隔離柵驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)全橋電路。注意，此電路僅需要兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器電路實(shí)現(xiàn)全橋驅(qū)動(dòng)解決方案。每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器具有片上輸入信號(hào)調(diào)整電路，包括施密特觸發(fā)輸入， UVLO保護(hù)輸入，輸出重疊保護(hù)和死區(qū)發(fā)生器。對(duì)于安全性至關(guān)重要的醫(yī)療系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這些功能對(duì)于可靠運(yùn)行是關(guān)鍵性的。

輸入端之后是增強(qiáng)型雙通道數(shù)字隔離器，其輸出連接到柵極驅(qū)動(dòng)器，每一個(gè)都相互隔離，同時(shí)也與輸入隔離。電阻RDT1和RDT2決定了添加到每個(gè)循環(huán)中的死區(qū)時(shí)間。如果死區(qū)時(shí)間不需要，DT輸入端應(yīng)當(dāng)連接到本地VDD。

除了提供邏輯輸入柵極驅(qū)動(dòng)器，Silicon Labs也提供增強(qiáng)的、功能兼容光耦合驅(qū)動(dòng)器的替代產(chǎn)品。Si822x隔離柵驅(qū)動(dòng)器能夠模仿光耦合器LED行為的輸入階段，可直接替換諸如HCPL – 3120的柵驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，也提供低功耗操作，工作溫度范圍內(nèi)有更好的性能和可靠性。

醫(yī)療供電系統(tǒng)應(yīng)用

圖4為相移調(diào)制全橋應(yīng)用，典型的用于龐大醫(yī)療系統(tǒng)中的供電系統(tǒng)，例如臨床核磁共振成像（MRIs）。這些系統(tǒng)通常使用電流感應(yīng)變壓器，需要外部核心復(fù)位電路和特殊的布局。它們也有低幅度的輸出波形，通常導(dǎo)致低的電磁干擾性能。

隔離的交流電流傳感器，例如Silicon Labs的Si850x/1x器件提供集成的復(fù)位電路，高2VP-P的滿量程輸出信號(hào)，測(cè)量精度5％，小尺寸和低功耗工作。它們可支持50kHz- 1MHz頻率范圍（全測(cè)量范圍為5、10和20Amps），并有1kV和5 kV的額定隔離電壓。這些器件具有1.3m?低功耗輸入阻抗和2nH的串聯(lián)電感以降低振鈴。圖4中的電流傳感器有“乒乓（Ping-Pong）”的輸出模式，來(lái)自每個(gè)橋臂的電流信號(hào)分別傳輸?shù)礁髯宰儔浩鞔磐ㄆ胶獗O(jiān)控的輸出管腳。

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圖4：相移調(diào)制全橋應(yīng)用中的乒乓模式

當(dāng)Q1和Q4處于開(kāi)狀態(tài)時(shí)，測(cè)量電流在OUT2管腳出現(xiàn)；當(dāng)Q2和Q3處于開(kāi)狀態(tài)時(shí)， 電流從OUT1輸出。當(dāng)電流發(fā)生環(huán)路時(shí)，積分器復(fù)位觸發(fā)（即當(dāng)Q1和Q2同時(shí)打開(kāi)，或Q3和Q4同時(shí)打開(kāi)時(shí)）。

這些示例說(shuō)明了如何在電路一級(jí)上應(yīng)用CMOS隔離器到電子醫(yī)療系統(tǒng)。其他系統(tǒng)可能使用CMOS隔離器用于不同的電路功能，如電壓電平轉(zhuǎn)換或消除接地回路噪聲。表3顯示了醫(yī)療電子系統(tǒng)從CMOS隔離技術(shù)中獲益的部分列表。這些或其他應(yīng)用程序的隔離需求導(dǎo)致大量CMOS隔離器使用案例，醫(yī)療電子市場(chǎng)不斷發(fā)展過(guò)程中，CMOS隔離器技術(shù)最終將取代傳統(tǒng)隔離技術(shù)。

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表3：COMS隔離產(chǎn)品在醫(yī)療系統(tǒng)中的應(yīng)用示例

小結(jié)

電子醫(yī)療系統(tǒng)必須有集成的可靠的隔離，確保病人和操作者的安全。嚴(yán)格的國(guó)際安全管理機(jī)構(gòu)為了得到一致的安全特性，根據(jù)他們的規(guī)范發(fā)放醫(yī)療電子系統(tǒng)認(rèn)證。隔離在這些系統(tǒng)中起到關(guān)鍵作用，它必須是強(qiáng)健和可靠的，并且僅需較少空間和成本。光耦合器和變壓器已經(jīng)為醫(yī)療系統(tǒng)形成了多種多樣的隔離電路方案。然而隨著技術(shù)的發(fā)展，更小、更可靠和高性能隔離器件出現(xiàn)了，如單封裝、多通道數(shù)字隔離器、AC電流感應(yīng)器和隔離柵驅(qū)動(dòng)器。這些隔離產(chǎn)品采用主流CMOS技術(shù)，與傳統(tǒng)方案相比，提供顯著的優(yōu)勢(shì)，僅為光耦合器失效率的1/10，COMS隔離產(chǎn)品是眾多電子醫(yī)療系統(tǒng)的理想選擇。