【优品推荐】 CMOS隔离器大幅降低医疗电子故障率

SiliconLabs 2020-08-03 00:00

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Silicon Labs （亦称“芯科科技”）是领先的芯片、软件和解决方案供应商，所推出的电子器件在物联网、互联网基础设施、工业自动化、消费电子、汽车市场和医疗行业均有着广泛的应用基础，比如今天介绍的 CMOS 电流隔离器用于医疗行业相关设备可大幅降低其故障率。

众所周知，光耦合器的作用很慢并且在温度和器件寿命方面表现出广泛的性能变化。它们是单端器件，因此表现出较差的共模瞬变抗扰度（ CMTI ）。此外，光耦合器采用砷化镓（ GaAs ）工艺制造，具有固有的磨损机制，可在高温和 / 或 LED 电流下永久性地减少 LED 发射。这种降级降低了光耦合器的可靠性，性能和使用寿命。虽然变压器比光耦合器提供更高的速度和更好的可靠性，但它们不能传递直流和低频信号，从而对系统定时（例如接通时间和占空比）施加限制。变压器也往往功率大且功率低，并且通常需要额外的外部组件来进行核心复位。

电子医疗系统必须具有集成的强大隔离，以确保患者和操作员的安全。严格的国际安全监管机构对医疗电子系统进行认证，以确保其统一的安全性。隔离器在这些系统中起着关键作用，因此必须坚固可靠，占用空间最小，并且系统成本小到可以忽略不计。光耦合器和变压器一直是医疗系统隔离器电路的首选解决方案。然而，技术的进步使得更小，更可靠和更高性能的隔离器件成为可能，包括单封装多通道数字隔离器， AC 电流传感器和栅极驱动器。这些新型隔离产品基于主流 CMOS 工艺技术，与光耦合器相比，其故障率降低了 10 倍。因此 CMOS 隔离产品是许多电子医疗系统的理想解决方案。

与光耦合器不同， CMOS 隔离器在性能，可靠性，操作稳定性，功耗节省和功能集成方面具有显著优势。 CMOS 隔离器的工作速率为 DC 至 150Mbps ，占用的空间更少（每个封装最多 6 个隔离通道），功耗更高。 CMOS 隔离器的基础技术使这些属性成为可能。

以模拟输出的心电图（ ECG ）前端为例，从仪表放大器进行高通滤波，然后由转换为数字格式串行 ADC 。转换后的数据通过 Silicon Labs 的 Si8630 增强型（ 5kV ） ISOpro 数字传输标准 IEC 60601 测试级别掉电，电压骤降，中断和电压电源线的变化工频（ 50/60 Hz ）磁场隔离器，到控制器进行处理。

Si8630 数字隔离器可以在吞吐量下运行每个通道的速率高达 150Mbps ，用于“无瓶颈”数据传输，支持高达 5kVRMS 的加强绝缘。该器件工作电源电压为 2.5-5.5 V ，所有器件版本都具有施密特触发器输入以实现高抗扰度，符合 RoHS 标准。如果是并行输出 ADC 如果使用，可以使用少至四个 Si8660 六通道隔离器实现隔离（假设 16 位 ADC ）。 Si8660 集成度高，可节省 90%PCB 板面积；相对于 6 颗单通道隔离光耦，成本低 10% 以上，可大幅度降低用户产品系统设计成本，提升客户产品市场竞争力。

应用在除颤器的功率级，其中两个高侧 / 低侧隔离驱动器（ ISOdrivers ）驱动全桥电路。请注意，此电路仅需要两个 ISO 驱动器标准的高端自举电路，用于实现全桥驱动解决方案。每个 ISOdriver 具有片内输入信号调理电路，由施密特触发器输入，输入 UVLO 组成保护，输出重叠保护和死区时间发生器。这些功能至关重要安全关键医疗系统的可靠运行。输入级之后是增强的 ISOpro 双通道隔离器，其输出连接到栅极驱动器，每个驱动器与另一个以及输入隔离。电阻器 RDT1 和 RDT2 确定每个周期内添加的死区时间。如果没有死区时间要求， DT 输入应连接到本地 VDD 源。

除了逻辑输入 ISOdrivers ， Silicon Labs 还提供增强型 Si822x 系列，功能兼容的光耦合驱动器替代品。 Si822x 系列有一个输入模仿光耦 LED 的行为的阶段，允许直接替换栅极驱动器 HCPL-3120 等产品，但功耗更低，性能更佳，可靠性高。抗温度和老化效应，符合 AEC-Q100 认证，具有宽泛的工作温度范围。

另外在典型的电源使用的相移调制全桥应用大型医疗系统，如临床 MRI 。这些系统通常使用电流检测变压器，需要外部分立电路进行磁芯复位和特殊布局注意事项。它们也倾向于具有低幅度输出波形并且经常导致有问题的 EMI 性能。 Si850x / 1x 系列隔离式交流电流传感器提供高达 2Vp-p 的集成复位电路满量程输出信号， 5 ％的测量精度，小尺寸和低功耗操作。它们的工作频率范围为 50kHz 至 1MHz （满量程测量范围为 5,10 和 20 安培）并具有 1kV 和 5kV 的隔离额定值。这些设备有输入低功率损耗的电阻为 1.3mΩ ，减小振铃的串联电感为 2nH 。

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