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作者：凌力爾特公司微型模塊電源產(chǎn)品部高級產(chǎn)品市場(chǎng)工程師Willie Chan 成像技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng )新 傳統模擬 X 射線(xiàn)成像系統以專(zhuān)門(mén)的感光膠片為介質(zhì)，將通過(guò)的 X 射線(xiàn)轉變成可視圖像。為了完成這一任務(wù)，該膠片必須經(jīng)過(guò)一種化學(xué)顯影過(guò)程，這個(gè)過(guò)程可能需要幾分鐘，因此推遲了開(kāi)始對病人進(jìn)行治療的時(shí)間。此外，顯影過(guò)程完成以后，醫療團隊可能會(huì )發(fā)現，由于 X 射線(xiàn)曝光不正確，該圖像需要重新攝取。膠片處理完成后，必須派人送給主治醫生，然后儲存在患者的醫療檔案里，在醫院里，患者的醫療檔案有可能占用大量的儲藏柜。此外，顯影過(guò)程中使用的化學(xué)制劑使用壽命有限，必須仔細儲存，而且一旦超過(guò)壽命期，就必須銷(xiāo)毀。如果采用直接 X 射線(xiàn)攝影 (Direct Radiography – DR)，所有這些挑戰都沒(méi)有了。直接 X 射線(xiàn)攝影是一種數字 X 射線(xiàn)成像技術(shù)，正得到越來(lái)越多的采用。 隨著(zhù)初始擁有成本的下降以及優(yōu)勢日趨明顯，傳統 X 射線(xiàn)成像向直接 X 射線(xiàn)攝影遷移的勢頭不斷增強。采用直接 X 射線(xiàn)攝影時(shí)，給患者拍照幾秒鐘后，就可得到 X 射線(xiàn)圖像，而且該圖像可以立即發(fā)送到全球各地，以向任何一個(gè)地方的醫學(xué)專(zhuān)家咨詢(xún)�；颊叩� X 射線(xiàn)圖像是數字形式的，可以在小型硬盤(pán)上歸檔和檢索，而無(wú)需大型文件柜。流行的直接 X 射線(xiàn)攝影方法采用平板檢測器板來(lái)獲取經(jīng)過(guò)的 X 射線(xiàn)。該平板檢測器無(wú)需移動(dòng)或手工挪動(dòng)，就可顯示不同的拍照角度，以拍出多種圖像，而且傳感器-圖像尺寸比為 1：1。較新的平板 X 射線(xiàn)檢測器能以無(wú)線(xiàn)方式向控制單元發(fā)送圖像，以供查看、歸檔和分發(fā)。有了平板檢測器，就不必再購買(mǎi)、儲存或銷(xiāo)毀與處理膠片有關(guān)的化學(xué)制劑了。也許最重要的是，歐洲的兩項研究表明，存檔一幅與模擬照相記錄膠片質(zhì)量相當的 DR 圖像所需的 X 射線(xiàn)劑量將減低 30% 到 70%。有些平板設計可將照射率實(shí)時(shí)地傳遞至 X 射線(xiàn)源，從而確保正確曝光的圖像和極低的輻射劑量。較低的 X 射線(xiàn)劑量可改善患者及附近醫療保健專(zhuān)業(yè)人員的安全境況，他們可能隨后會(huì )遇到四散的 X 射線(xiàn)粒子。 為了產(chǎn)生圖像，許多直接 X 射線(xiàn)攝影系統采用了全幀平板探測器，這種探測器由覆蓋了一個(gè)閃爍層的 CMOS 傳感器構成。這個(gè)閃爍層將入射的 X 射線(xiàn)的波長(cháng)轉變成硅材料能更好地吸收的波長(cháng)。CMOS 傳感器由于制造工藝的原因而常常受到青睞，這類(lèi)傳感器與混合信號及邏輯架構是兼容的，因而有助于形成集成度更高的解決方案。200mm 和 300mm 硅晶片制造技術(shù)的改進(jìn)進(jìn)一步促進(jìn)了向直接 X 射線(xiàn)攝影轉變的趨勢。較大的晶片使更少的 CMOS 傳感器模塊能結合在一起，從而使得所形成的 X 射線(xiàn)平板傳感器與 35cm x 43cm (14 英寸 x 17 英寸) 1.5cm 厚 ISO 標準 X 射線(xiàn)膠片暗匣的尺寸相一致，而世界各地的醫院都使用這類(lèi)膠片暗匣。毫不奇怪，系統的硬件設計對這類(lèi)產(chǎn)品的圖像質(zhì)量、外形尺寸、人員安全和工作壽命產(chǎn)生了直接影響，起到了重要的作用。不過(guò)，這種起到重要作用的硬件設計中包括電源管理組件嗎? 與電子噪聲的艱苦斗爭 為了讓直接 X 射線(xiàn)攝影實(shí)現全部潛在優(yōu)勢，必須關(guān)注電子噪聲、熱量和尺寸問(wèn)題。必須保持高信噪比 (SNR)，同時(shí)降低加到患者身上的 X 射線(xiàn)劑量也是一個(gè)關(guān)鍵目標。盡管傳感器本身的噪聲性能獲得了極大關(guān)注，但是電源注入的噪聲也值得仔細考慮。 電源架構對信噪比性能有直接影響。電源軌上的電壓紋波被饋送到圖像傳感器，而且 A/D 轉換器可能將噪聲注入到圖像中。X 射線(xiàn) CMOS 傳感器制造商們聲稱(chēng)，已經(jīng)實(shí)現了 14 位甚至 16 位 A/D 轉換，從而可支持很寬的對比度范圍，進(jìn)而產(chǎn)生非常詳細的圖像。使問(wèn)題更加復雜的是圖像傳感器、A/D 轉換器和 / 或儀表放大器要正常工作，除了需要一個(gè)穩定的正電壓，常常還需要一個(gè)穩壓的 -3.3V 至 -7V 負電壓軌。此外，電池組或 AC/DC 電源可能僅提供一個(gè)未調節的正電壓。因此，中間的 DC/DC 轉換器必須具有低輸出紋波性能 (幾十 mV)、高工作效率和低的自發(fā)熱量。 為了患者的舒適度和便利性，很多新的 X 射線(xiàn)成像單元 (包括傳感器平板) 都是移動(dòng)的。傳感器平板的電源常常選擇標稱(chēng)電壓為 12V 的可再充電電池。為了充電一次就可拍攝并傳送數百個(gè)圖像，需要較高的工作效率，這促使人們使用開(kāi)關(guān)穩壓器。不幸的是，開(kāi)關(guān)模式穩壓器是一種電磁干擾 (EMI) 輻射源，這增加了系統的噪聲水平。此外，為幫助醫務(wù)人員與患者之間保持一個(gè)安全的邊界，某些 X 射線(xiàn)傳感器面板擁有無(wú)線(xiàn)數據傳輸能力。較高的 EMI 水平有可能導致所拍攝的圖像失真，和 / 或干擾向用戶(hù)終端的無(wú)線(xiàn)數據傳送。也許更麻煩的是，EMI 輻射水平有可能超出政府監管機構所允許的值，從而使醫療產(chǎn)品無(wú)法進(jìn)入市場(chǎng)，本文稍后討論這個(gè)問(wèn)題。 要求較高的工作效率還有第二個(gè)目的，即努力保持高信噪比 (SNR)。CMOS 傳感器內部的暗電流會(huì )隨溫度的上升呈指數性增加。暗電流是由電荷移動(dòng)形成的，在 X 射線(xiàn)曝光之前就存在了。根據一家 X 射線(xiàn) CMOS 傳感器制造商的說(shuō)法，溫度每上升 8°C，暗電流就大約增大一倍。盡管后期處理可以從圖像中去掉一些暗電流假影，但是較高的工作溫度以及反復進(jìn)行的 X 射線(xiàn)曝光所累積的損傷加速增大了暗電流。最終，暗電流將淹沒(méi)入射 X 射線(xiàn)粒子在傳感器上沉積的電荷，這時(shí)候，平板檢測器就必須更換了。此外，因為醫療設備常常接觸人體組織，所以如果對散熱不加以控制，那么除了會(huì )縮短設備的工作壽命，還有可能導致患者不舒服或燙傷。 與熱量的斗爭 正如之前提到的那樣，較高的工作溫度降低了 CMOS 傳感器的信噪比性能，并縮短了這類(lèi)傳感器的壽命。此外，較高的工作溫度還造成了患者的安全風(fēng)險。為了保持卓越的圖像分辨率，X 射線(xiàn)平板檢測器會(huì )與患者的身體直接接觸。當溫度達到 40°C (100°F) 時(shí)，人的皮膚就開(kāi)始受到灼傷。因此，有可能與人的皮膚接觸之任何醫療設備的外部都必須保持低于這個(gè)溫度限制。所以，高工作效率以及能將在大面積上產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，對很多方面都是至關(guān)重要的，例如對傳感器壽命、圖像清晰度和患者安全等。 保持緊湊的外形尺寸 從外科手術(shù)系統附件到手持式檢查工具，新一代醫療設備的復雜性越來(lái)越高，而裝入這么多組件以支持更多功能的可用空間卻沒(méi)有相應增大。就平板 X 射線(xiàn)探測器而言，現有的醫院基礎設施已經(jīng)配置了一個(gè)被稱(chēng)為“濾線(xiàn)柵插槽”的固定尺寸插槽，而原先這個(gè)地方是用來(lái)擺放模擬 X 射線(xiàn)膠片暗匣的。這些膠片暗匣一般遵循 ISO4090 指導原則，可以有 46cm x 38.6cm x 1.5cm 的外部尺寸，所允許的 X 射線(xiàn)圖像尺寸為 43cm x 35cm (14 英寸 x 17 英寸)。電源管理解決方案必須緊湊和高效，才能符合這么受限的尺寸要求，并最大限度地減少工作溫度的上升。 監管法規 作為美國和歐洲監管要求的一部分，醫療設備必須證明符合 CISPR11 (又稱(chēng)為 EN55011) 法規。因為開(kāi)關(guān)穩壓器輻射電磁場(chǎng)，所以設計師必須全面了解開(kāi)關(guān)穩壓器對 EMI 兼容性的影響，或者必須選擇一種經(jīng)過(guò)測試、滿(mǎn)足制造商 EMI 輻射限制的電源解決方案。否則，為了實(shí)現與相關(guān)標準的符合性，有可能需要進(jìn)行量大費時(shí)的產(chǎn)品迭代設計工作。對打算用于辦公樓的醫療設備規定了最為嚴格的輻射 EMI 限值，Group1 – Class B 設備的輻射限值等同于針對辦公樓及家庭用信息技術(shù)設備所規定的 EN55022 Class B (CISPR22 Class B) 限值。 較長(cháng)的產(chǎn)品壽命 對醫療設備而言，證明電源解決方案的可靠性是很有必要的。對于 X 射線(xiàn)平板傳感器來(lái)說(shuō)，必須一次就正確獲得圖像，否則患者和醫護人員就會(huì )令人遺憾地再次面對輻射。最低限度，也會(huì )因診斷延遲而導致治療延遲，按照現代醫療標準，這種情況是不可接受的。 另一個(gè)需要考慮的因素是：選定電子組件的供貨時(shí)間能延續多久? 經(jīng)歷了 CE、UL、IEC 和 FDA 等機構漫長(cháng)的監管審批程序并獲得認證之后，每種醫療電子設備都應能長(cháng)期制造 － 達 15 年以上。這一時(shí)間長(cháng)度比消費類(lèi)產(chǎn)品的周期長(cháng)得多，而消費類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)是很多電源管理半導體廠(chǎng)商的主要市場(chǎng)。僅由于組件淘汰而對產(chǎn)品重新進(jìn)行鑒定，對于工程資源和公司收益都是一個(gè)沉重的負擔。 解決方案：先進(jìn)的 DC/DC 開(kāi)關(guān)穩壓器 為了幫助設計工程師應對醫療應用中的電子噪聲、熱量和尺寸挑戰，凌力爾特提供了超過(guò) 50 種不同的微型模塊 (µModule®) 電源產(chǎn)品，為客戶(hù)提供了廣泛選擇。這些產(chǎn)品每一種都是高效率、全面集成的 DC/DC 開(kāi)關(guān)電源管理解決方案，采用緊湊的表面貼裝封裝 (圖 1)。這些開(kāi)關(guān)模式穩壓器經(jīng)過(guò)仔細設計，在負輸出電壓和正輸出電壓電路配置中，以低輸出紋波工作，如圖 2 和 3 所示。微型模塊電源產(chǎn)品的一個(gè)子類(lèi)是通過(guò)了 EN55022 Class B 認證的微型模塊穩壓器，是克服醫療應用中發(fā)現 EMI 挑戰之理想解決方案。這類(lèi)開(kāi)關(guān)穩壓器經(jīng)過(guò) TUV 等獨立實(shí)驗室的認證，以在輸出電流高達 8A 時(shí)，滿(mǎn)足行業(yè)標準 EN55022 Class B (相當于 CISPR11 / EN55011 Group 1 – Class B) 對輻射 EMI 的要求。用各自的標準演示電路板進(jìn)行測試所得的結果已公開(kāi)在線(xiàn)提供。部分測試情況如圖 4 所示。選擇一個(gè)兼容和全面集成的降壓型解決方案，例如微型模塊穩壓器，可在滿(mǎn)足這類(lèi)要求時(shí)，節省設計時(shí)間，并降低與常見(jiàn)開(kāi)關(guān)穩壓器或控制器相關(guān)的風(fēng)險。 與高輸出紋波和輻射 EMI 有關(guān)的風(fēng)險不應該低估。這兩種因素都影響產(chǎn)品第一次就能正常發(fā)揮作用以及滿(mǎn)足嚴格的政府法規的能力。至于這兩種因素對 X 射線(xiàn)平板工作的影響，產(chǎn)品設計如果良好地控制了輸出紋波和 EMI 輻射，那么產(chǎn)品就能提供高信噪比，從而能提供高質(zhì)量、高分辨率的圖像，第一次就能獲得正確的圖像以避免治療延遲以及不必要地重復暴露于輻射之中，還能提供可靠的無(wú)線(xiàn)通信，并加速 EMI 兼容性測試。出于這些原因，凌力爾特做了很多工作，以確保這些設備通過(guò) TUV 等獨立測試實(shí)驗室的認證，并公開(kāi)在線(xiàn)提供測試結果。在克服噪聲和 EMI 問(wèn)題以后，合適的電源管理解決方案就需要解決效率、可靠性和散熱問(wèn)題了。 微型模塊電源產(chǎn)品是效率非常高的開(kāi)關(guān)穩壓器，采用由導熱塑料構成的表面貼裝 LGA 或 BGA 封裝，封裝頂部是平坦的。一整塊平坦的封裝頂部覆蓋整個(gè)電源管理解決方案，有利于采取散熱措施，以最大限度地減少醫療設備外部任何一點(diǎn)的溫度上升 (圖 5) 。正如之前提到的那樣，保持較低的工作溫度可提高對患者的安全性、信噪比以及設備的工作壽命。最大的微型模塊電源產(chǎn)品的尺寸為 15mm x 15mm x 5mm，最小的則為 6.25mm x 6.25mm x 2.3mm，因此采用微型模塊電源產(chǎn)品有助于為實(shí)現更重要的功能釋放空間，例如增大電池尺寸以在兩次充電之間工作更長(cháng)時(shí)間。 微型模塊穩壓器經(jīng)過(guò)了廣泛的器件級和電路板級測試，以確�？煽抗ぷ�。迄今為止，該產(chǎn)品系列已經(jīng)累計經(jīng)過(guò)了逾 2350 萬(wàn)個(gè)器件-小時(shí)的電源周期和 300 萬(wàn)次器件-小時(shí)加速壽命測試，從未發(fā)生故障。全套設計、應用和制造指導原則確保這些微型模塊的性能滿(mǎn)足產(chǎn)品預期，這進(jìn)一步為可靠性提供了支持。在網(wǎng)址www.linear.com.cn/umodule 上，有一份完整的報告，列出了已進(jìn)行過(guò)的所有可靠性測試以及測試結果。在長(cháng)生產(chǎn)壽命以支持醫療設備方面，凌力爾特一直堅定不移地貫徹執行產(chǎn)品的“不停產(chǎn)政策”，µModule 電源產(chǎn)品將繼續秉承這一政策，因而可支持具有長(cháng)生產(chǎn)期限的醫療設備。 
圖 1：微型模塊電源產(chǎn)品是完整的 DC/DC 開(kāi)關(guān)解決方案，采用耐熱增強型 LGA 或 BGA 封裝，為通過(guò)封裝的頂部和底部散熱提供了一條便利的途徑。 Thermally Enhanced BGA or LGA Package：耐熱增強型 BGA 或 LGA 封裝 Magnetics：磁性材料 Compensation Circuitry：補償電路 Diodes：二極管 Capacitors & Resistors：電容器和電阻器 Power Switches & DC/DC Controller：電源開(kāi)關(guān)和 DC/DC 控制器
圖 2a 和 2b： LTM8023 原理圖，12VIN 至 -7VOUT/1A，以不到 30mVpp 的輸出紋波工作，最大限度地減少了注入 CMOS 傳感器和信號調理組件的噪聲，需要一個(gè)負電壓源 參見(jiàn)圖 2a，獲取組件值 全帶寬
圖 3：LTM4613 僅有 26mVpp 的輸出紋波 (12VIN 至 5VOUT/5A) ，可最大限度地降低注入到 CMOS 傳感器和信號調理組件中的噪聲，從而提供高質(zhì)量圖像。
圖 4：LTM4613 以超過(guò) 6dBuV/m 的裕度，滿(mǎn)足 EN55022 ClassB (相當于 CISPR11 Group 1 Class B) 的要求 (12VIN 至 5VOUT/8A)。
圖 5：沒(méi)有散熱器、在空氣自然對流情況下，LTM4613 的最高外殼溫度為 41°C (12VIN 至 5VOUT/5A)。如果熱連接到金屬外殼 (無(wú)需額外費用的散熱器)，那么最高溫度會(huì )進(jìn)一步降至低于 40°C。 AMBIENT TEMPERATURE：環(huán)境溫度 NO FORCED AIRFLOW：無(wú)強制氣流 NO HEAT SINK：無(wú)散熱器 結論 盡管本文專(zhuān)注于論述與數字 X 射線(xiàn)平板檢測器有關(guān)的設計挑戰，但是本文所述挑戰并不是此產(chǎn)品獨有的。從外科手術(shù)系統附件、內窺鏡到便攜式成像和監視系統，醫療專(zhuān)業(yè)人員始終在尋求最有效、最可靠和最小的可用工具。在這些方面不斷實(shí)現突破的設備使醫療實(shí)踐得以取得進(jìn)步，最大限度地減少了患者的不適、結疤和恢復時(shí)間，同時(shí)提高了人員的安全性。這類(lèi)產(chǎn)品中的電子組件使醫生能更準確地實(shí)施治療、更全面地了解病情、以及有更好的控制能力，甚至能延長(cháng)訓練有素的外科醫生的職業(yè)生涯。再加上商業(yè)企業(yè)對于有限的工程資源、產(chǎn)品上市時(shí)間、需要得到證明的產(chǎn)品可靠性和相匹配的長(cháng)生產(chǎn)壽命，什么樣的電源解決方案才能滿(mǎn)足這些業(yè)務(wù)需求呢? 凌力爾特的微型模塊電源產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)過(guò)仔細設計，已經(jīng)證明能滿(mǎn)足這些令人生畏的需求。 致謝 Jaino Parasseril Yan Liang Jason Sekanina Dongyan Zhou |
