強磁場環境下的無芯直流穩壓電源設計方案
2018-7-6 11:34:00??????點擊：
核磁共振室對電子設備來說是一種非常苛刻的電磁（EM）環境。電子設備外部可能采取屏蔽，以便將磁場強度衰減到某個程度，而使設備可正常工作而不至被破壞。如果沒有適當的屏蔽，MRI掃描產生的磁場會損壞電子設備，甚至可能將鐵磁物體吸入MRI的孔內。
另一方面，來自電子設備的干擾可能會導致MRI成像錯誤，因此必須解決直流穩壓電源設計方面的問題。
直到最近，設計用于MRI環境的直流穩壓電源功能比較有限，這取決于它們靠近MRI設備的距離。存在的磁場通常會導致直流穩壓電源失效。由鐵磁材料制成的物體會被吸入MRI機器中，貼著在MRI磁體上，這不是件好事。具有帶鐵芯變壓器和電感器的直流穩壓電源有可能造成這種災難性情況的發生。
過去，為防止直流穩壓電源被吸入MRI機器中，通常會使用魔術貼將直流穩壓電源固定到房間的地面或其他固定樁子上。在這種情況下，會使用一條長屏蔽電纜將直流穩壓電源連接到需要供電的病人監護儀。這種方法違背了MR患者監護儀的兩個關鍵特點。首先需要控制成本，但屏蔽電纜價格昂貴。另外需要具備移動性，但病人監護儀的可移動范圍受其所連接屏蔽電纜的限制。最好的設計是將直流穩壓電源附著在病人監護設備上。由于屏蔽電纜可以大幅縮短，這可以降低相應成本。患者監護儀的移動性也增加了，因為直流穩壓電源沒有連接到固定樁子上。
設計最佳的直流穩壓電源
設計直流穩壓電源板需要很多資源，并且需要進行大量的測試。定制直流穩壓電源需要很快設計好，以便完成MRI掃描儀項目，并且可能與現成的直流穩壓電源質量不同，因為現成的直流穩壓電源已經過多年的開發了。此外，直流穩壓電源還必須符合患者監護系統（如IEC60601）的相關安規。因為這類直流穩壓電源已經通過了監管程序，所以它只需要符合特定項目架構的要求即可。
MRI設備及其周圍環境
MRI使用磁場和無線電波能量脈沖來創建身體內部器官和結構的圖像。由線圈產生的磁場通常在1~4T的范圍內，這是一個巨大的磁場，會對某些電氣設備產生嚴重的不利影響，例如直流穩壓電源的變壓器可能會因此飽和，而無法在這樣的環境中正常工作。出于患者在MRI掃描期間的安全性和舒適度考慮，一些設備要求直流穩壓電源盡可能靠近負載，這意味著供電設備在受到線圈產生的高磁場影響的情況下，必須仍然能夠安全地運行。
MRI使用大型磁鐵和無線電波來觀察人體內的器官和結構。當為MRI架構設計直流穩壓電源時，有許多具有挑戰性的設計要求。由于MRI機器測量的敏感性，直流穩壓電源的振蕩器頻率需要精確地固定在某個點上，而不能干擾MRI成像。
Powerbox的MRI直流穩壓電源方案
挑戰
Powerbox公司的設計人員要開發一種新型的無芯供電直流穩壓電源GB350，項目啟動后出現了很大的挑戰，這才意識到其復雜性（圖1）。由于直流穩壓電源設備是用于MRT（磁共振斷層掃描）系統，它將會受到非常強的磁場影響。這意味著，開發人員不能為上述產品使用帶磁芯的感性設備。
這個問題的解決方案包含一項新技術。新開發的無芯感性設備可讓直流穩壓電源在強磁場下也能正常運行。此外，設計人員在前面板連接器上加裝了一個80dB的屏蔽罩，可以屏蔽掉測量系統對MRT系統的干擾。
圖1：GB350直流穩壓電源。
該直流穩壓電源具有DSP穩壓轉換器以及內置速度控制的通風裝置。設計人員開發出一種新技術，該技術具有無磁芯感應和600kHz的四相開關功能——總共2.4MHz，可以使空芯（air-core）工作，以及一個數字處理器，可管理從開關參數到輸出電壓表征的一切。2.4MHz開關頻率可以與MRI或其他設備中的外部時鐘同步。該頻率減小了空芯電感器的尺寸，并將開關直流穩壓電源的開關頻率保持在MRI設備的敏感范圍之外，從而確保MRI設備中測量信號的準確處理，這是獲得高質量圖像的關鍵。
該直流穩壓電源的輸入電壓為+13VDC，輸出電壓如下：
+6.90VDC/60A +3.45VDC/50A +1.65VDC/50A
作為同類產品中的第一款結構單元，該直流穩壓電源的架構是一個降壓轉換器模塊，能夠暴露在MRI掃描儀的高輻射磁場中而安全地工作。該直流穩壓電源具有350W的輸出功率，當需要更高的功率時，可以采用交錯式并聯，從而降低EMI。現代MRI系統通常會產生1~4T的磁場，而使采用鐵氧體材料的常規直流穩壓電源無法工作，因為MRI磁體會干擾能量傳輸而導致電感飽和。
為了防止寄生飽和，直流穩壓電源一般放置在屏蔽手術室的外面。遠程安裝直流穩壓電源需要較長的電纜，而且會產生能量損耗；對于在快速瞬變負載條件下需要嚴格穩壓供電的新一代測量設備來說，這也是一項巨大的挑戰。
該解決方案采用670W無芯設計，采用從電感向電感傳遞能量的原理。為了確保最佳性能，設計人員采用了DSP控制，以及具有并聯和交錯的高級直流穩壓電源拓撲結構，從而簡化了功率調整，降低了EMI。為了保護整個直流穩壓電源免受電磁泄漏的干擾，直流穩壓電源還采用了80dB的屏蔽層進行屏蔽保護。
在英國《Electronic Weekly（電子周刊）》雜志主辦的2017年Elektra Awards頒獎大會上，Powerbox的這一設計榮獲年度最佳直流穩壓電源系統產品獎（圖2）。該獎項主要頒發給能夠在技術能力和實用性方面展示出優于同類產品的直流穩壓電源產品。評選標準包括產品性能、設計應用，以及新的拓撲和架構、使用材料、高級半導體技術和封裝等。
GB350是一款非常聰明和絕妙的解決方案，解決了一個長期以來從未解決的問題——它是款真正的第一。
MRI環境的分立直流穩壓電源設計
一些設計師努力去做自己的定制設計。有許多應用要求開關直流穩壓電源解決方案完全不受強磁場的影響——即使是精心屏蔽的鐵氧體磁芯變壓器也會因為強磁場而飽和。他們可能會使用開關電容電壓轉換技術。然而，在自制設計中，MRI設備發出的RF場也需要予以考慮。設計人員需要了解他們的設計應該如何進行RF屏蔽（見參考文獻《Power Supply for MRI Environment（面向MRI環境的直流穩壓電源）》）。
通常情況下，空芯變壓器效率不高（20~30%），但可以完成這項工作。設計師需要問的問題是：我能夠在市場上買到的空芯電感器效率如何？這可以滿足我的設計要求嗎？
此外，市場上容易獲得的無芯電感器有多大？好像Farnell公司出售的型號最多只有0.5μH。
屏蔽材料
設計人員可能希望使用屏蔽材料來隔離高強度磁場。相對磁導率對于所有頻率不會保持不變。不同的屏蔽材料具有不同的相對磁導率，因此其有效屏蔽的特定頻率范圍也不同。表1列出了一些屏蔽材料在150kHz下的電氣屬性。
表1：150kHz時屏蔽材料的特性。（Hemming，1992）
要注意不應使鐵磁材料飽和，不然就會失去衰減磁場的能力。上述參考文獻中的解決方案建議創建一個雙層屏蔽層，其中外層具有較低的相對磁導率和較低的飽和磁化率，這將使得內屏蔽層可以很好地屏蔽磁場。
MRI電感器設計步驟
MRI直流穩壓電源所需的電感與開關頻率成正比，如公式1所示：
其中：L是μH級的電感，VOUT是輸出電壓，ΔI是電感紋波電流，FSW是開關頻率，D是占空比。
一旦計算出了所需的電感值，就可以使用公式2來確定空芯電感器的大小：
其中：L是μH級的電感，d是以in為單位的線圈直徑，I是以in為單位的線圈長度，n是匝數。
對照公式1和公式2，可以看到較高的開關頻率會導致較低的電感值。較低的電感值所需的空芯電感尺寸就比較小。
表2列出了MRI設備的典型直流穩壓電源要求。其最高的直流穩壓電源軌是20.5A/12V，（標稱）輸入電壓為48V。MOSFET RDS(ON)和開關損耗（在2.488MHz工作時是主要的MOSFET損耗）兩者相結合，使得熱管理極具挑戰性。
解決方案是用氮化鎵（GaN）FET替換MOSFET。GaN FET的效率要比MOSFET高很多——因為其具有幾乎為零的反向恢復時間、較低的RDS(ON)和較低的柵極電荷（(QG），所以可以將損耗降低至可控的水平。GaN FET具有關鍵的柵極驅動要求，因此LM5113 GaN FET驅動器也是必需的。
表2：MRI直流穩壓電源軌。（圖片由TI提供）
AVX公司提供空芯電感器樣品，Coilcraft公司有Air Core Springs和設計者工具。
在大電流下需要負電壓輸出
MRI應用中更具挑戰性的設計要求之一是在大輸出電流下需要負輸出電壓。這是需要克服的另一個挑戰。表2顯示了MRI反相升降壓直流穩壓電源在電流為15.84A、電壓為48V至-15V（和48V至-8V）時的直流穩壓電源要求。這種反相升降壓拓撲的傳遞函數（公式3）要求LM5140-Q1能夠承受VIN+VOUT，即50VMAX+15V=65V的電壓。
LM5140-Q1能夠在輸入電壓為65V（絕對最大值為70V）的情況下工作，克服了過電壓應力的危險。
實際上，在具體的系統中到底采用哪種類型的架構方案還是由設計人員決定。我希望本文能夠提供一些幫助，讓您為自己的設計項目做出正確的選擇。
另一方面，來自電子設備的干擾可能會導致MRI成像錯誤，因此必須解決直流穩壓電源設計方面的問題。
直到最近，設計用于MRI環境的直流穩壓電源功能比較有限，這取決于它們靠近MRI設備的距離。存在的磁場通常會導致直流穩壓電源失效。由鐵磁材料制成的物體會被吸入MRI機器中，貼著在MRI磁體上，這不是件好事。具有帶鐵芯變壓器和電感器的直流穩壓電源有可能造成這種災難性情況的發生。
過去，為防止直流穩壓電源被吸入MRI機器中，通常會使用魔術貼將直流穩壓電源固定到房間的地面或其他固定樁子上。在這種情況下，會使用一條長屏蔽電纜將直流穩壓電源連接到需要供電的病人監護儀。這種方法違背了MR患者監護儀的兩個關鍵特點。首先需要控制成本，但屏蔽電纜價格昂貴。另外需要具備移動性，但病人監護儀的可移動范圍受其所連接屏蔽電纜的限制。最好的設計是將直流穩壓電源附著在病人監護設備上。由于屏蔽電纜可以大幅縮短，這可以降低相應成本。患者監護儀的移動性也增加了，因為直流穩壓電源沒有連接到固定樁子上。
設計最佳的直流穩壓電源
設計直流穩壓電源板需要很多資源，并且需要進行大量的測試。定制直流穩壓電源需要很快設計好，以便完成MRI掃描儀項目，并且可能與現成的直流穩壓電源質量不同，因為現成的直流穩壓電源已經過多年的開發了。此外，直流穩壓電源還必須符合患者監護系統（如IEC60601）的相關安規。因為這類直流穩壓電源已經通過了監管程序，所以它只需要符合特定項目架構的要求即可。
MRI設備及其周圍環境
MRI使用磁場和無線電波能量脈沖來創建身體內部器官和結構的圖像。由線圈產生的磁場通常在1~4T的范圍內，這是一個巨大的磁場，會對某些電氣設備產生嚴重的不利影響，例如直流穩壓電源的變壓器可能會因此飽和，而無法在這樣的環境中正常工作。出于患者在MRI掃描期間的安全性和舒適度考慮，一些設備要求直流穩壓電源盡可能靠近負載，這意味著供電設備在受到線圈產生的高磁場影響的情況下，必須仍然能夠安全地運行。
MRI使用大型磁鐵和無線電波來觀察人體內的器官和結構。當為MRI架構設計直流穩壓電源時，有許多具有挑戰性的設計要求。由于MRI機器測量的敏感性，直流穩壓電源的振蕩器頻率需要精確地固定在某個點上，而不能干擾MRI成像。
Powerbox的MRI直流穩壓電源方案
挑戰
Powerbox公司的設計人員要開發一種新型的無芯供電直流穩壓電源GB350，項目啟動后出現了很大的挑戰，這才意識到其復雜性（圖1）。由于直流穩壓電源設備是用于MRT（磁共振斷層掃描）系統，它將會受到非常強的磁場影響。這意味著，開發人員不能為上述產品使用帶磁芯的感性設備。
這個問題的解決方案包含一項新技術。新開發的無芯感性設備可讓直流穩壓電源在強磁場下也能正常運行。此外，設計人員在前面板連接器上加裝了一個80dB的屏蔽罩，可以屏蔽掉測量系統對MRT系統的干擾。
圖1：GB350直流穩壓電源。
該直流穩壓電源具有DSP穩壓轉換器以及內置速度控制的通風裝置。設計人員開發出一種新技術，該技術具有無磁芯感應和600kHz的四相開關功能——總共2.4MHz，可以使空芯（air-core）工作，以及一個數字處理器，可管理從開關參數到輸出電壓表征的一切。2.4MHz開關頻率可以與MRI或其他設備中的外部時鐘同步。該頻率減小了空芯電感器的尺寸，并將開關直流穩壓電源的開關頻率保持在MRI設備的敏感范圍之外，從而確保MRI設備中測量信號的準確處理，這是獲得高質量圖像的關鍵。
該直流穩壓電源的輸入電壓為+13VDC，輸出電壓如下：
+6.90VDC/60A +3.45VDC/50A +1.65VDC/50A
作為同類產品中的第一款結構單元，該直流穩壓電源的架構是一個降壓轉換器模塊，能夠暴露在MRI掃描儀的高輻射磁場中而安全地工作。該直流穩壓電源具有350W的輸出功率，當需要更高的功率時，可以采用交錯式并聯，從而降低EMI。現代MRI系統通常會產生1~4T的磁場，而使采用鐵氧體材料的常規直流穩壓電源無法工作，因為MRI磁體會干擾能量傳輸而導致電感飽和。
為了防止寄生飽和，直流穩壓電源一般放置在屏蔽手術室的外面。遠程安裝直流穩壓電源需要較長的電纜，而且會產生能量損耗；對于在快速瞬變負載條件下需要嚴格穩壓供電的新一代測量設備來說，這也是一項巨大的挑戰。
該解決方案采用670W無芯設計，采用從電感向電感傳遞能量的原理。為了確保最佳性能，設計人員采用了DSP控制，以及具有并聯和交錯的高級直流穩壓電源拓撲結構，從而簡化了功率調整，降低了EMI。為了保護整個直流穩壓電源免受電磁泄漏的干擾，直流穩壓電源還采用了80dB的屏蔽層進行屏蔽保護。
在英國《Electronic Weekly（電子周刊）》雜志主辦的2017年Elektra Awards頒獎大會上，Powerbox的這一設計榮獲年度最佳直流穩壓電源系統產品獎（圖2）。該獎項主要頒發給能夠在技術能力和實用性方面展示出優于同類產品的直流穩壓電源產品。評選標準包括產品性能、設計應用，以及新的拓撲和架構、使用材料、高級半導體技術和封裝等。
GB350是一款非常聰明和絕妙的解決方案，解決了一個長期以來從未解決的問題——它是款真正的第一。
MRI環境的分立直流穩壓電源設計
一些設計師努力去做自己的定制設計。有許多應用要求開關直流穩壓電源解決方案完全不受強磁場的影響——即使是精心屏蔽的鐵氧體磁芯變壓器也會因為強磁場而飽和。他們可能會使用開關電容電壓轉換技術。然而，在自制設計中，MRI設備發出的RF場也需要予以考慮。設計人員需要了解他們的設計應該如何進行RF屏蔽（見參考文獻《Power Supply for MRI Environment（面向MRI環境的直流穩壓電源）》）。
通常情況下，空芯變壓器效率不高（20~30%），但可以完成這項工作。設計師需要問的問題是：我能夠在市場上買到的空芯電感器效率如何？這可以滿足我的設計要求嗎？
此外，市場上容易獲得的無芯電感器有多大？好像Farnell公司出售的型號最多只有0.5μH。
屏蔽材料
設計人員可能希望使用屏蔽材料來隔離高強度磁場。相對磁導率對于所有頻率不會保持不變。不同的屏蔽材料具有不同的相對磁導率，因此其有效屏蔽的特定頻率范圍也不同。表1列出了一些屏蔽材料在150kHz下的電氣屬性。
表1：150kHz時屏蔽材料的特性。（Hemming，1992）
要注意不應使鐵磁材料飽和，不然就會失去衰減磁場的能力。上述參考文獻中的解決方案建議創建一個雙層屏蔽層，其中外層具有較低的相對磁導率和較低的飽和磁化率，這將使得內屏蔽層可以很好地屏蔽磁場。
MRI電感器設計步驟
MRI直流穩壓電源所需的電感與開關頻率成正比，如公式1所示：
其中：L是μH級的電感，VOUT是輸出電壓，ΔI是電感紋波電流，FSW是開關頻率，D是占空比。
一旦計算出了所需的電感值，就可以使用公式2來確定空芯電感器的大小：
其中：L是μH級的電感，d是以in為單位的線圈直徑，I是以in為單位的線圈長度，n是匝數。
對照公式1和公式2，可以看到較高的開關頻率會導致較低的電感值。較低的電感值所需的空芯電感尺寸就比較小。
表2列出了MRI設備的典型直流穩壓電源要求。其最高的直流穩壓電源軌是20.5A/12V，（標稱）輸入電壓為48V。MOSFET RDS(ON)和開關損耗（在2.488MHz工作時是主要的MOSFET損耗）兩者相結合，使得熱管理極具挑戰性。
解決方案是用氮化鎵（GaN）FET替換MOSFET。GaN FET的效率要比MOSFET高很多——因為其具有幾乎為零的反向恢復時間、較低的RDS(ON)和較低的柵極電荷（(QG），所以可以將損耗降低至可控的水平。GaN FET具有關鍵的柵極驅動要求，因此LM5113 GaN FET驅動器也是必需的。
表2：MRI直流穩壓電源軌。（圖片由TI提供）
AVX公司提供空芯電感器樣品，Coilcraft公司有Air Core Springs和設計者工具。
在大電流下需要負電壓輸出
MRI應用中更具挑戰性的設計要求之一是在大輸出電流下需要負輸出電壓。這是需要克服的另一個挑戰。表2顯示了MRI反相升降壓直流穩壓電源在電流為15.84A、電壓為48V至-15V（和48V至-8V）時的直流穩壓電源要求。這種反相升降壓拓撲的傳遞函數（公式3）要求LM5140-Q1能夠承受VIN+VOUT，即50VMAX+15V=65V的電壓。
LM5140-Q1能夠在輸入電壓為65V（絕對最大值為70V）的情況下工作，克服了過電壓應力的危險。
實際上，在具體的系統中到底采用哪種類型的架構方案還是由設計人員決定。我希望本文能夠提供一些幫助，讓您為自己的設計項目做出正確的選擇。
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