CMOS隔离器:医疗电子系统的安全保障【亚博app首页】

本文摘要:由交流电供电的医疗电子系统的安全标准拒绝电流隔离,以保护患者和操作员免受电线危险。

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由交流电供电的医疗电子系统的安全标准拒绝电流隔离,以保护患者和操作员免受电线危险。因为导线必须与仪器和患者相连,吸附在上面的液体和凝胶进一步降低了导线的风险;因此,用于这些系统的隔离器必须重量轻且可靠。

光耦合器和变压器通常在医疗系统中用作隔离电路,但它们的不足也是设计界所熟悉的。众所周知,光耦合器速度慢,在温度和老化过程中性能非常不稳定。它们都是单端器件,因此具有良好的共模瞬态免疫系统(CMTI)。另外,光耦合器基于砷化镓(GaAs)加工技术,在高温和/或大LED电流条件下,本征损耗导致发光强度降低。

这种波动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获得更高的速度和可靠性,但它们不能通过DC和低频信号,因此它们在系统固定点(例如,打开时间和占空比)的应用受到限制。而且变压器一般体积大,效率低,所以往往需要额外的铁芯来取消电路。

CMOS隔离器不同于光耦合器,有序金属氧化物半导体(CMOS)隔离器在性能、可靠性、稳定性、省电性能和集成度等方面都取得了较好的成绩。与变压器不同,互补金属氧化物半导体隔离器与DC 150兆位/秒相对,空闲空间更少(每个印刷电路板至少有6个隔离的地下通道),效率更高。这些特性是由以下CMOS隔离器基本技术构建的:主流、低功耗CMOS处理技术取代GaAs:CMOS是目前世界上应用最广泛、最成熟的处理处置技术。

先进设备的电路设计技术和CMOS技术使隔离器具有平均150Mbps的数据传输速度、10ns的传播延迟、5.6mW/地下通道功耗和许多其他行业领先的性能规格。在仅次于操作者的电压和温度下,CMOS隔离器的平均失效时间(MTTF)高达1000年,是光耦合器的10倍。射频载波取代光:射频技术进一步降低隔离器运营商的功耗,高精度鉴频提高噪声感应,PCB比光耦简单。

差分隔离取代单端隔离:差分信号路径和接收灵敏度使CMTI高达25kV/us,适用于无误差操作员,更好的外部射频抗干扰特性平均为300V/m,磁场抗扰度高达1000 A/m。这些特性使CMOS隔离器仅限于危险的工作环境(强电场和磁场)。专利EMI感应技术:CMOS隔离器符合FCC Part B规范,通过汽车J1750(CISPR)测试。

安全证书从系统的角度来看,医疗设备可以根据操作人员的电压分为不同的等级。一级设备在70V或更低的电压下工作,只有基本绝缘和维护短路必须用于可识别的部件。

二类设备工作在70V以上,拒绝加强或加倍绝缘。三级设备操作员的电压低于25伏交流电或60伏直流电,这通常被称为安全电压(SELV)。

三级设备不必隔离。从元器件角度来说,隔离器PCB尺寸是最重要的,以避免电弧穿越PCB表面。

因此,安全机制规定了特定测试电压下的爬电距离和间隙距离。如图1所示,爬电是指静电沿绝缘表面的距离越大,间隙是指静电通过空气的最短距离。

图1:爬电电气间隙的隔离器核心是绝缘体。绝缘强度要求隔离器的电压等级。隔离分类还包括基本型和增强型。基本隔离获得电击的维持特性,但不考虑故障安全条件(即故障会导致系统自动变为安全可信状态);基本隔离装置需要用户使用,但必须包含在系统中。

基本绝缘设备的合格证测试是在1.6kVRMS电压下测试1分钟,泄漏距离大于4 mm,增强隔离为破坏安全的操作人员获得两级维护,允许用户面谈。增强型隔离设备的认证测试在电压下进行
医疗电子系统必须始终具有增强的隔离功能,因为它们拒绝具有不安全的过热维护功能。增强型CMOS隔离器符合国际标准IEC/EN/DINEN60747-5-2,CMOS隔离器也符合IEC-60601-1医学标准的绝缘抑制,必须再次通过ul(保险商实验室)1577或IEC-60601-1标准认证。IEC-60601-1规定了基本绝缘和增强绝缘的介电强度试验证书的标准,包括爬电和电气间隙的公差,以及电压和持续时间。

见表1。表1: IEC60601-1 CMOS隔离器安全标准拒绝光耦合器作为其主要绝缘材料,因此必须符合内部间距规范,也称为绝缘击穿距离(DTI),该术语来自IEC60601-1。对于光耦合器,DTI是发光二极管和光接收器管芯之间的距离,通常比该距离大0.4毫米。

CMOS隔离器用于半导体氧化物作为其主要绝缘材料,其介电强度和一致性优于用于填充复合印刷电路板的材料,因此闲置空间较小。

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