CMOS隔离器: 医疗电子系统的安全保障

电压暂降，浪涌和瞬变）。因此，无论是光耦合器还是CMOS隔离器都必须通过IEC - 61000标准。使用测试限度见IEC 60601-1-2规范，如表2所示。例如，静电放电（ESD）需符合IEC 61000-4-2规范，并使用由IEC 60101-1-2规定的测试限度。 RF辐射及电源线扰动测试使用CISPR11测试方法，它是J1750汽车规范的子集。（CISPR不指定测试限度，它是一个测试方法的标准。）对于辐射和电源线敏感性的限制需符合IEC 60601-1-2规范。

　　表2：IEC 60601-1-2抗干扰要求

　　注：变量U是测试应用电平之前的交流主电压

　　通过这些测试的要求是非常严格的：系统不能有任何组件故障、参数变化、配置错误或误报。除了外场免疫力，测试系统自身不能产生显著射频或传导辐射。

　典型医疗设备应用

　　图2：心电图（ECG）前端

　　心电图应用

　　图2显示了一个心电图（ECG）前端框图，来自设备放大器的模拟输出经过高通滤波器，然后通过串行ADC转换成数字格式。转换后的数据通过增强型（5kV）数字隔离器进入控制器进行处理。该数字隔离器每个通道都可进行高达150Mbps“无瓶颈”数据传输。如果采用并行多个ADC输出，则隔离功能可以使用少于4个的六通道隔离器实现（假设16位ADC）。

　　图3：基于ISOdriver的除颤器电源隔离

　　除颤器应用

　　图3显示了除颤器电源部分，两个高端/低端（high-side/low-side）隔离栅驱动器驱动全桥电路。注意，此电路仅需要两个标准高侧栅极驱动器电路实现全桥驱动解决方案。每个栅极驱动器具有片上输入信号调整电路，包括施密特触发输入， UVLO保护输入，输出重叠保护和死区发生器。对于安全性至关重要的医疗系统来说，这些功能对于可靠运行是关键性的。

　　输入端之后是增强型双通道数字隔离器，其输出连接到栅极驱动器，每一个都相互隔离，同时也与输入隔离。电阻RDT1和RDT2决定了添加到每个循环中的死区时间。如果死区时间不需要，DT输入端应当连接到本地VDD。

　　除了提供逻辑输入栅极驱动器，Silicon Labs也提供增强的、功能兼容光耦合驱动器的替代产品。Si822x隔离栅驱动器能够模仿光耦合器LED行为的输入阶段，可直接替换诸如HCPL – 3120的栅驱动器产品，也提供低功耗操作，工作温度范围内有更好的性能和可靠性。

　   医疗供电系统应用

　　图4为相移调制全桥应用，典型的用于庞大医疗系统中的供电系统，例如临床核磁共振成像（MRIs）。这些系统通常使用电流感应变压器，需要外部核心复位电路和特殊的布局。它们也有低幅度的输出波形，通常导致低的电磁干扰性能。

　　隔离的交流电流传感器，例如Silicon Labs的Si850x/1x器件提供集成的复位电路，高2VP-P的满量程输出信号，测量精度5％，小尺寸和低功耗工作。它们可支持50kHz- 1MHz频率范围（全测量范围为5、10和20Amps），并有1kV和5 kV的额定隔离电压。这些器件具有1.3mΩ低功耗输入阻抗和2nH的串联电感以降低振铃。图4中的电流传感器有“乒乓（Ping-Pong）”的输出模式，来自每个桥臂的电流信号分别传输到各自变压器磁通平衡监控的输出管脚。

　　图4：相移调制全桥应用中的乒乓模式

　　当Q1和Q4处于开状态时，测量电流在OUT2管脚出现；当Q2和Q3处于开状态时， 电流从OUT1输出。当电流发生环路时，积分器复位触发（即当Q1和Q2同时打开，或Q3和Q4同时打开时）。

　　这些示例说明了如何在电路一级上应用CMOS隔离器到电子医疗系统。其他系统可能使用CMOS隔离器用于不同的电路功能，如电压电平转换或消除接地回路噪声。表3显示了医疗电子系统从CMOS隔离技术中获益的部分列表。这些或其他应用程序的隔离需求导致大量CMOS隔离器使用案例，医疗电子市场不断发展过程中，CMOS隔离器技术最终将取代传统隔离技术。　

　　表3：COMS隔离产品在医疗系统中的应用示例

　　小结

　　电子医疗系统必须有集成的可靠的隔离，确保病人和操作者的安全。严格的国际安全管理机构为了得到一致的安全特性，根据他们的规范发放医疗电子系统认证。隔离在这些系统中起到关键作用，它必须是强健和可靠的，并且仅需较少空间和成本。光耦合器和变压器已经为医疗系统形成了多种多样的隔离电路方案。然而随着技术的发展，更小、更可靠和高性能隔离器件出现了，如单封装、多通道数字隔离器、AC电流感应器和隔离栅驱动器。这些隔离产品采用主流CMOS技术，与传统方案相比，提供显著的优势，仅为光耦合器失效率的1/10，COMS隔离产品是众多电子医疗系统的理想选择。