凌力爾特公司 微型模塊電源產(chǎn)品部 高級(jí)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(tǒng)模擬 X 射線成像系統(tǒng)以專門的感光膠片為介質(zhì)，將通過(guò)的 X 射線轉(zhuǎn)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，因此推遲了開始對(duì)病人進(jìn)行治療的時(shí)間。此外，顯影過(guò)程完成以后，醫(yī)療團(tuán)隊(duì)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，由于 X 射線曝光不正確，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(yī)生，然后儲(chǔ)存在患者的醫(yī)療檔案里，在醫(yī)院里，患者的醫(yī)療檔案有可能占用大量的儲(chǔ)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(xì)儲(chǔ)存，而且一旦超過(guò)壽命期，就必須銷毀。如果采用直接 X 射線攝影 (Direct Radiography – DR)，所有這些挑戰(zhàn)都沒有了。直接 X 射線攝影是一種數(shù)字 X 射線成像技術(shù)，正得到越來(lái)越多的采用。

 

隨著初始擁有成本的下降以及優(yōu)勢(shì)日趨明顯，傳統(tǒng) X 射線成像向直接 X 射線攝影遷移的勢(shì)頭不斷增強(qiáng)。采用直接 X 射線攝影時(shí)，給患者拍照幾秒鐘后，就可得到 X 射線圖像，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(yī)學(xué)專家咨詢。患者的 X 射線圖像是數(shù)字形式的，可以在小型硬盤上歸檔和檢索，而無(wú)需大型文件柜。流行的直接 X 射線攝影方法采用平板檢測(cè)器板來(lái)獲取經(jīng)過(guò)的 X 射線。該平板檢測(cè)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 射線檢測(cè)器能以無(wú)線方式向控制單元發(fā)送圖像，以供查看、歸檔和分發(fā)。有了平板檢測(cè)器，就不必再購(gòu)買、儲(chǔ)存或銷毀與處理膠片有關(guān)的化學(xué)制劑了。也許較重要的是，歐洲的兩項(xiàng)研究表明，存檔一幅與模擬照相記錄膠片質(zhì)量相當(dāng)?shù)?DR 圖像所需的 X 射線劑量將減低 30% 到 70%。有些平板設(shè)計(jì)可將照射率實(shí)時(shí)地傳遞至 X 射線源，從而確保正確曝光的圖像和極低的輻射劑量。較低的 X 射線劑量可改善患者及附近醫(yī)療保健專業(yè)人員的安全境況，他們可能隨后會(huì)遇到四散的 X 射線粒子。

 

為了產(chǎn)生圖像，許多直接 X 射線攝影系統(tǒng)采用了全幀平板探測(cè)器，這種探測(cè)器由覆蓋了一個(gè)閃爍層的 CMOS 傳感器構(gòu)成。這個(gè)閃爍層將入射的 X 射線的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)變成硅材料能更好地吸收的波長(zhǎng)。CMOS 傳感器由于制造工藝的原因而常常受到青睞，這類傳感器與混合信號(hào)及邏輯架構(gòu)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 射線攝影轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。較大的晶片使更少的 CMOS 傳感器模塊能結(jié)合在一起，從而使得所形成的 X 射線平板傳感器與 35cm x 43cm (14 英寸 x 17 英寸) 1.5cm 厚 ISO 標(biāo)準(zhǔn) X 射線膠片暗匣的尺寸相一致，而世界各地的醫(yī)院都使用這類膠片暗匣。毫不奇怪，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)對(duì)這類產(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(shè)計(jì)中包括電源管理組件嗎?

 

 

與電子噪聲的艱苦斗爭(zhēng)

 

為了讓直接 X 射線攝影實(shí)現(xiàn)全部潛在優(yōu)勢(shì)，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 射線劑量也是一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。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(xì)考慮。

 

電源架構(gòu)對(duì)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(zhuǎn)換器可能將噪聲注入到圖像中。X 射線 CMOS 傳感器制造商們聲稱，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 14 位甚至 16 位 A/D 轉(zhuǎn)換，從而可支持很寬的對(duì)比度范圍，進(jìn)而產(chǎn)生非常詳細(xì)的圖像。使問(wèn)題更加復(fù)雜的是圖像傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器和 / 或儀表放大器要正常工作，除了需要一個(gè)穩(wěn)定的正電壓，常常還需要一個(gè)穩(wěn)壓的 -3.3V 至 -7V 負(fù)電壓軌。此外，電池組或 AC/DC 電源可能僅提供一個(gè)未調(diào)節(jié)的正電壓。因此，中間的 DC/DC 轉(zhuǎn)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(biāo)稱電壓為 12V 的可再充電電池。為了充電一次就可拍攝并傳送數(shù)百個(gè)圖像，需要較高的工作效率，這促使人們使用開關(guān)穩(wěn)壓器。不幸的是，開關(guān)模式穩(wěn)壓器是一種電磁干擾 (EMI) 輻射源，這增加了系統(tǒng)的噪聲水平。此外，為幫助醫(yī)務(wù)人員與患者之間保持一個(gè)安全的邊界，某些 X 射線傳感器面板擁有無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸能力。較高的 EMI 水平有可能導(dǎo)致所拍攝的圖像失真，和 / 或干擾向用戶終端的無(wú)線數(shù)據(jù)傳送。也許更麻煩的是，EMI 輻射水平有可能超出政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)所允許的值，從而使醫(yī)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(nèi)部的暗電流會(huì)隨溫度的上升呈指數(shù)性增加。暗電流是由電荷移動(dòng)形成的，在 X 射線曝光之前就存在了。根據(jù)一家 X 射線 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(fù)進(jìn)行的 X 射線曝光所累積的損傷加速增大了暗電流。較終，暗電流將淹沒入射 X 射線粒子在傳感器上沉積的電荷，這時(shí)候，平板檢測(cè)器就必須更換了。此外，因?yàn)獒t(yī)療設(shè)備常常接觸人體組織，所以如果對(duì)散熱不加以控制，那么除了會(huì)縮短設(shè)備的工作壽命，還有可能導(dǎo)致患者不舒服或燙傷。

 

與熱量的斗爭(zhēng)

 

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(xiǎn)。為了保持卓越的圖像分辨率，X 射線平板檢測(cè)器會(huì)與患者的身體直接接觸。當(dāng)溫度達(dá)到 40°C (100°F) 時(shí)，人的皮膚就開始受到灼傷。因此，有可能與人的皮膚接觸之任何醫(yī)療設(shè)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(duì)很多方面都是至關(guān)重要的，例如對(duì)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(tǒng)附件到手持式檢查工具，新一代醫(yī)療設(shè)備的復(fù)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有相應(yīng)增大。就平板 X 射線探測(cè)器而言，現(xiàn)有的醫(yī)院基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)配置了一個(gè)被稱為“濾線柵插槽”的固定尺寸插槽，而原先這個(gè)地方是用來(lái)擺放模擬 X 射線膠片暗匣的。這些膠片暗匣一般遵循 ISO4090 指導(dǎo)原則，可以有 46cm x 38.6cm x 1.5cm 的外部尺寸，所允許的 X 射線圖像尺寸為 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，并較大限度地減少工作溫度的上升。

 

監(jiān)管法規(guī)

 

作為美國(guó)和歐洲監(jiān)管要求的一部分，醫(yī)療設(shè)備必須證明符合 CISPR11 (又稱為 EN55011) 法規(guī)。因?yàn)殚_關(guān)穩(wěn)壓器輻射電磁場(chǎng)，所以設(shè)計(jì)師必須全面了解開關(guān)穩(wěn)壓器對(duì) EMI 兼容性的影響，或者必須選擇一種經(jīng)過(guò)測(cè)試、滿足制造商 EMI 輻射限制的電源解決方案。否則，為了實(shí)現(xiàn)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的符合性，有可能需要進(jìn)行量大費(fèi)時(shí)的產(chǎn)品迭代設(shè)計(jì)工作。對(duì)打算用于辦公樓的醫(yī)療設(shè)備規(guī)定了較為嚴(yán)格的輻射 EMI 限值，Group1 – Class B 設(shè)備的輻射限值等同于針對(duì)辦公樓及家庭用信息技術(shù)設(shè)備所規(guī)定的 EN55022 Class B (CISPR22 Class B) 限值。

 

較長(zhǎng)的產(chǎn)品壽命

 

對(duì)醫(yī)療設(shè)備而言，證明電源解決方案的可靠性是很有必要的。對(duì)于 X 射線平板傳感器來(lái)說(shuō)，必須一次就正確獲得圖像，否則患者和醫(yī)護(hù)人員就會(huì)令人遺憾地再次面對(duì)輻射。較低限度，也會(huì)因診斷延遲而導(dǎo)致治療延遲，按照現(xiàn)代醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)，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(xù)多久? 經(jīng)歷了 CE、UL、IEC 和 FDA 等機(jī)構(gòu)漫長(zhǎng)的監(jiān)管審批程序并獲得認(rèn)證之后，每種醫(yī)療電子設(shè)備都應(yīng)能長(zhǎng)期制造 － 達(dá) 15 年以上。這一時(shí)間長(zhǎng)度比消費(fèi)類產(chǎn)品的周期長(zhǎng)得多，而消費(fèi)類產(chǎn)品市場(chǎng)是很多電源管理半導(dǎo)體廠商的主要市場(chǎng)。僅由于組件淘汰而對(duì)產(chǎn)品重新進(jìn)行鑒定，對(duì)于工程資源和公司收益都是一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)。

 

解決方案：先進(jìn)的 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器

 

為了幫助設(shè)計(jì)工程師應(yīng)對(duì)醫(yī)療應(yīng)用中的電子噪聲、熱量和尺寸挑戰(zhàn)，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)。這些開關(guān)模式穩(wěn)壓器經(jīng)過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)，在負(fù)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)子類是通過(guò)了 EN55022 Class B 認(rèn)證的微型模塊穩(wěn)壓器，是克服醫(yī)療應(yīng)用中發(fā)現(xiàn) EMI 挑戰(zhàn)之理想解決方案。這類開關(guān)穩(wěn)壓器經(jīng)過(guò) TUV 等獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)證，以在輸出電流高達(dá) 8A 時(shí)，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) EN55022 Class B (相當(dāng)于 CISPR11 / EN55011 Group 1 – Class B) 對(duì)輻射 EMI 的要求。用各自的標(biāo)準(zhǔn)演示電路板進(jìn)行測(cè)試所得的結(jié)果已公開在線提供。部分測(cè)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(wěn)壓器，可在滿足這類要求時(shí)，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，并降低與常見開關(guān)穩(wěn)壓器或控制器相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。

 

與高輸出紋波和輻射 EMI 有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)不應(yīng)該低估。這兩種因素都影響產(chǎn)品第一次就能正常發(fā)揮作用以及滿足嚴(yán)格的政府法規(guī)的能力。至于這兩種因素對(duì) X 射線平板工作的影響，產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(fù)暴露于輻射之中，還能提供可靠的無(wú)線通信，并加速 EMI 兼容性測(cè)試。出于這些原因，凌力爾特做了很多工作，以確保這些設(shè)備通過(guò) TUV 等獨(dú)立測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)證，并公開在線提供測(cè)試結(jié)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關(guān)穩(wěn)壓器，采用由導(dǎo)熱塑料構(gòu)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，以較大限度地減少醫(yī)療設(shè)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(duì)患者的安全性、信噪比以及設(shè)備的工作壽命。較大的微型模塊電源產(chǎn)品的尺寸為 15mm x 15mm x 5mm，較小的則為 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(xiàn)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(zhǎng)時(shí)間。

 

微型模塊穩(wěn)壓器經(jīng)過(guò)了廣泛的器件級(jí)和電路板級(jí)測(cè)試，以確�？煽抗ぷ鳌Ｆ�今為止，該產(chǎn)品系列已經(jīng)累計(jì)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(cè)試，從未發(fā)生故障。全套設(shè)計(jì)、應(yīng)用和制造指導(dǎo)原則確保這些微型模塊的性能滿足產(chǎn)品預(yù)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(bào)告，列出了已進(jìn)行過(guò)的所有可靠性測(cè)試以及測(cè)試結(jié)果。在長(zhǎng)生產(chǎn)壽命以支持醫(yī)療設(shè)備方面，凌力爾特一直堅(jiān)定不移地貫徹執(zhí)行產(chǎn)品的“不停產(chǎn)政策”，µModule 電源產(chǎn)品將繼續(xù)秉承這一政策，因而可支持具有長(zhǎng)生產(chǎn)期限的醫(yī)療設(shè)備。

 

 

 

圖 1：微型模塊電源產(chǎn)品是完整的 DC/DC 開關(guān)解決方案，采用耐熱增強(qiáng)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。

 

 

圖 2a 和 2b： LTM8023 原理圖，12VIN 至 -7VOUT/1A，以不到 30mVpp 的輸出紋波工作，較大限度地減少了注入 CMOS 傳感器和信號(hào)調(diào)理組件的噪聲，需要一個(gè)負(fù)電壓源

 

圖 3：LTM4613 僅有 26mVpp 的輸出紋波 (12VIN 至 5VOUT/5A) ，可較大限度地降低注入到 CMOS 傳感器和信號(hào)調(diào)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，滿足 EN55022 ClassB (相當(dāng)于 CISPR11 Group 1 Class B) 的要求 (12VIN 至 5VOUT/8A)。

 

 

圖 5：沒有散熱器、在空氣自然對(duì)流情況下，LTM4613 的較高外殼溫度為 41°C (12VIN 至 5VOUT/5A)。如果熱連接到金屬外殼 (無(wú)需額外費(fèi)用的散熱器)，那么較高溫度會(huì)進(jìn)一步降至低于  40°C。

 

結(jié)論

盡管本文專注于論述與數(shù)字 X 射線平板檢測(cè)器有關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，但是本文所述挑戰(zhàn)并不是此產(chǎn)品獨(dú)有的。從外科手術(shù)系統(tǒng)附件、內(nèi)窺鏡到便攜式成像和監(jiān)視系統(tǒng)，醫(yī)療專業(yè)人員始終在尋求較有效、較可靠和較小的可用工具。在這些方面不斷實(shí)現(xiàn)突破的設(shè)備使醫(yī)療實(shí)踐得以取得進(jìn)步，較大限度地減少了患者的不適、結(jié)疤和恢復(fù)時(shí)間，同時(shí)提高了人員的安全性。這類產(chǎn)品中的電子組件使醫(yī)生能更準(zhǔn)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(zhǎng)訓(xùn)練有素的外科醫(yī)生的職業(yè)生涯。再加上商業(yè)企業(yè)對(duì)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(zhǎng)生產(chǎn)壽命，什么樣的電源解決方案才能滿足這些業(yè)務(wù)需求呢? 凌力爾特的微型模塊電源產(chǎn)品線經(jīng)過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)，已經(jīng)證明能滿足這些令人生畏的需求。