用于高可靠性医疗应用的混合信号解决方案

面向医疗成像的高速 ADC
医疗成像应用采用种类繁多的高性能数据转换器。超声、PET / SPECT、核磁共振成像 (MRI) 和 X 射线成像都采用多通道采样系统来收集图像数据。因为这类应用需要非常宽的动态范围，所以 ADC 的动态性能至关重要。要实现最佳性能，就需要高的信噪比和失真度 (SINAD) 以及无寄生动态范围 (SFDR ) 性能。此外，在 MRI 等应用中，采用欠采样方法，宽带宽采样和保持性能是关键。凌力尔特公司已经为成像应用开发了一个高性能、低功率 12 位和 14 位多通道 ADC 产品线。该引脚兼容、同时采样的 4 通道 (LTC2175 ) 和双通道 (LTC2268 ) ADC 系列的采样率从 25Msps 直至 125Msps，在最高采样率时，每通道仅消耗 140mW 功率 (参见图 2 )。关键特点包括：在 14 位、800MHz 满功率带宽时具 73.1dB SNR 和 88dB SFDR；串行 LVDS 输出；低功率休眠和打盹模式。

图 2：14 位和 12 位引脚兼容的 4 通道和双通道高速 ADC 系列

就需要更高分辨率的应用而言，新的和具灵活数字输出的低功率 16 位单通道和双通道 ADC 系列提供优于 76.8dB 的 SNR 和 90dB 的 SFDR。单通道 LTC2165 和双通道 LTC2185 ADC 系列提供了全速率 CMOS 或双数据速率 (DDR ) CMOS / LVDS 数字输出的选择。LTC2195 系列包括具串行 LVDS 输出、双通道、同时采样 ADC。在 125Msps 采样率时，这些 ADC 每通道仅从 1.8V 电源消耗 185mW 功率 (参见图 3 )，而且在每一个速度级上，每通道约为 1.5mW/Msps。SPI 接口实现可编程数字输出定时、可编程 LVDS 输出电流以及可选 LVDS 输出终止。

图 3：16 位单通道和双通道高速 ADC 系列

面向医疗成像的电源管理
今天的高可靠性医疗系统需要复杂的数字电源管理解决方案，以对大量电压轨进行排序、监察、监视和裕度调节。一个应用电路板有几十个轨的情况并非不常见，而且每一个轨都有自己独特的要求。典型情况下，这类系统的电源管理解决方案要求由 FPGA 或微控制器控制的几个分立器件分布于电路板各处，以对电源阵列进行排序、检查、监视和裕度调节。采用这种方案时，需要大量时间和工作量来开发必要的固件。
具 EEPROM 的 LTC2978 8 通道数字电源管理器 (图 4 ) 为医疗系统设计师提供了一款集成和模块化的解决方案，与微控制器解决方案相比，该方案减少了调试时间和工作量。LTC2978 可以对 8 个电源进行排序接通、排序断开、监视、检查、裕度调节和微调。多个 LTC2978 可以非常容易地利用单条共享时钟总线以及一个或多个双向故障引脚 (图 1 显示了一个典型应用) 进行级联，以在单条 I2C 地址总线上控制多达 72 个轨。

图 4：具 EEPROM 的 LTC2978 8 通道数字电源管理器

此外，如果关键系统出现故障，那么 LTC2978 就用一种受保护的非易失性存储器构件来记录系统电压和故障信息。在非易失性存储器中保留关键系统数据，使用户能识别故障电压轨，并在系统开发、测试调试或故障分析时隔离电路板故障源。
LTC2978 运用业界标准 PMBus 指令协议，以简化固件开发。LTC2978 最重要的特点是其精确的集成基准和 15 位增量累加 ADC，当测量或调节电源电压时，该基准和 ADC 提供 ±0.25% 的绝对准确度。
LTC2978 成功的关键是凌力尔特公司的 LTpowerPlayTM 软件工具，LTpowerPlay 是一款可免费下载的软件，提供图形 PC 界面，在设计和测试中方便了与该器件的互动。LTpowerPlay 软件工具为使用 LTC2978 的功能提供了一种简单易用且非常强大的配置工具。该软件工具也将支持凌力尔特公司未来的数字电源管理器件。

为保护患者而产生的隔离要求
设计医疗产品时，一个重要的考虑因素是，接触患者的产品要满足 IEC60601-1 的 4kV 隔离额定值。此外，要求低势垒电容，以帮助最大限度地减少医疗设备的漏电流。患者或操作人员可能接触到的机壳漏电流称为"接触电流"。IEC60601 规定，在正常工作时，该电流的限制为 100A，在发生单个故障情况下，该电流的限制为 500A。另一种漏电流测试标准规定了总的患者漏电流，该项规定量度的是，当医疗设备工作所需的所有应用部件与患者接触时产生的漏电流。
按照 IEC60601-1 标准，隔离势垒上的所有组件都须在持续 1 分钟的时间内满足 4000VAC (或 5600VDC) 的隔离要求。该标准还定义了患者保护方法 (MOPP)，该方法描述了降低患者受电击风险所需的隔离保护。该隔离保护包括爬电距离 / 间隙距离、绝缘及保护性接地线路。
凌力尔特公司用一个隔离器件产品线帮助满足了这些要求，该系列器件提供集成的电源，无需外部组件就可提供高达 5kVRMS 的隔离。该系列的第一批产品包括 2.5kVRMS LTM2881 隔离式 RS485  (图 5) 和 LTM2882 双通道隔离式 RS232 微型模块 (µModule?) 收发器，2011 年年初推出 5kV 的引脚兼容版本。两款产品都含有一个隔离式、效率高达 65% 的 1W DC/DC 转换器，在 5V 稳定输出时提供超出所需的功率。从耦合电容、二极管到甚至可切换的终端电阻器 (LTM2881) ，所有组件都集成到模块中。在收发器引脚上以及跨隔离势垒两端很强的 ESD 保护确保无闭锁或损坏。这些新的器件提供了一种非常坚固、甚至经历 30kV/µs 瞬态事件都能提供连续通信的解决方案。LTM2881 和 LTM2882 提供了一种低 EMI 解决方案，如果遵循良好的布局实践，那么该方案可满足 EN55022 B 类辐射要求。

图 5：完整的隔离式 RS485 / RS422 微型模块收发器 + 1W 功率的 LTM2881