【優品推薦】 CMOS隔離器大幅降低醫療電子故障率

SiliconLabs 2020-08-03 00:00

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Silicon Labs （亦稱“芯科科技”）是領先的芯片、軟件和解決方案供應商，所推出的電子器件在物聯網、互聯網基礎設施、工業自動化、消費電子、汽車市場和醫療行業均有著廣泛的應用基礎，比如今天介紹的 CMOS 電流隔離器用于醫療行業相關設備可大幅降低其故障率。

眾所周知，光耦合器的作用很慢并且在溫度和器件壽命方面表現出廣泛的性能變化。它們是單端器件，因此表現出較差的共模瞬變抗擾度（ CMTI ）。此外，光耦合器采用砷化鎵（ GaAs ）工藝制造，具有固有的磨損機制，可在高溫和 / 或 LED 電流下永久性地減少 LED 發射。這種降級降低了光耦合器的可靠性，性能和使用壽命。雖然變壓器比光耦合器提供更高的速度和更好的可靠性，但它們不能傳遞直流和低頻信號，從而對系統定時（例如接通時間和占空比）施加限制。變壓器也往往功率大且功率低，并且通常需要額外的外部組件來進行核心復位。

電子醫療系統必須具有集成的強大隔離，以確?；颊吆筒僮鲉T的安全。嚴格的國際安全監管機構對醫療電子系統進行認證，以確保其統一的安全性。隔離器在這些系統中起著關鍵作用，因此必須堅固可靠，占用空間最小，并且系統成本小到可以忽略不計。光耦合器和變壓器一直是醫療系統隔離器電路的首選解決方案。然而，技術的進步使得更小，更可靠和更高性能的隔離器件成為可能，包括單封裝多通道數字隔離器， AC 電流傳感器和柵極驅動器。這些新型隔離產品基于主流 CMOS 工藝技術，與光耦合器相比，其故障率降低了 10 倍。因此 CMOS 隔離產品是許多電子醫療系統的理想解決方案。

與光耦合器不同， CMOS 隔離器在性能，可靠性，操作穩定性，功耗節省和功能集成方面具有顯著優勢。 CMOS 隔離器的工作速率為 DC 至 150Mbps ，占用的空間更少（每個封裝最多 6 個隔離通道），功耗更高。 CMOS 隔離器的基礎技術使這些屬性成為可能。

以模擬輸出的心電圖（ ECG ）前端為例，從儀表放大器進行高通濾波，然后由轉換為數字格式串行 ADC 。轉換后的數據通過 Silicon Labs 的 Si8630 增強型（ 5kV ） ISOpro 數字傳輸標準 IEC 60601 測試級別掉電，電壓驟降，中斷和電壓電源線的變化工頻（ 50/60 Hz ）磁場隔離器，到控制器進行處理。

Si8630 數字隔離器可以在吞吐量下運行每個通道的速率高達 150Mbps ，用于“無瓶頸”數據傳輸，支持高達 5kVRMS 的加強絕緣。該器件工作電源電壓為 2.5-5.5 V ，所有器件版本都具有施密特觸發器輸入以實現高抗擾度，符合 RoHS 標準。如果是并行輸出 ADC 如果使用，可以使用少至四個 Si8660 六通道隔離器實現隔離（假設 16 位 ADC ）。 Si8660 集成度高，可節省 90%PCB 板面積；相對于 6 顆單通道隔離光耦，成本低 10% 以上，可大幅度降低用戶產品系統設計成本，提升客戶產品市場競爭力。

應用在除顫器的功率級，其中兩個高側 / 低側隔離驅動器（ ISOdrivers ）驅動全橋電路。請注意，此電路僅需要兩個 ISO 驅動器標準的高端自舉電路，用于實現全橋驅動解決方案。每個 ISOdriver 具有片內輸入信號調理電路，由施密特觸發器輸入，輸入 UVLO 組成保護，輸出重疊保護和死區時間發生器。這些功能至關重要安全關鍵醫療系統的可靠運行。輸入級之后是增強的 ISOpro 雙通道隔離器，其輸出連接到柵極驅動器，每個驅動器與另一個以及輸入隔離。電阻器 RDT1 和 RDT2 確定每個周期內添加的死區時間。如果沒有死區時間要求， DT 輸入應連接到本地 VDD 源。

除了邏輯輸入 ISOdrivers ， Silicon Labs 還提供增強型 Si822x 系列，功能兼容的光耦合驅動器替代品。 Si822x 系列有一個輸入模仿光耦 LED 的行為的階段，允許直接替換柵極驅動器 HCPL-3120 等產品，但功耗更低，性能更佳，可靠性高。抗溫度和老化效應，符合 AEC-Q100 認證，具有寬泛的工作溫度范圍。

另外在典型的電源使用的相移調制全橋應用大型醫療系統，如臨床 MRI 。這些系統通常使用電流檢測變壓器，需要外部分立電路進行磁芯復位和特殊布局注意事項。它們也傾向于具有低幅度輸出波形并且經常導致有問題的 EMI 性能。 Si850x / 1x 系列隔離式交流電流傳感器提供高達 2Vp-p 的集成復位電路滿量程輸出信號， 5 ％的測量精度，小尺寸和低功耗操作。它們的工作頻率范圍為 50kHz 至 1MHz （滿量程測量范圍為 5,10 和 20 安培）并具有 1kV 和 5kV 的隔離額定值。這些設備有輸入低功率損耗的電阻為 1.3mΩ ，減小振鈴的串聯電感為 2nH 。

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