Silicon Labs隔离器成功应用在医疗设备应用的低电磁干扰（EMI)隔离

时间： 2018-01-25 来源：世强作者：ch

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医疗环境中的电磁干扰（EMI)

EMI是指任何中断、影响或降低、限制电子设备性能的电磁扰动。不幸的是各种各样的EMI源几乎无处不在。基于此原因，各行各业根据EMI的不同特性将它分为以下类型，见表1。

医疗环境中的电力噪声；通信设备及本地设备的射频干扰产生50V/m或更强的射频场。另外，一些特定种类的医疗设备使用的射频能量及无线通信也会产生射频干扰。考虑到上述干扰源，医疗环境中的EMI管理是极具挑战的。

EMI对医疗应用的影响

EMI会引起医疗设备故障（包括潜在的灾难性的后果）。例如，EMI引起的信号传输错误会导致生命支持设备的故障，使这些设备测量错误并改变病人的静脉给药量。EMI尤其容易对需要测量微弱信号的医疗系统产生影响，例如心电图测量。未来，频率越来越高，功耗越来越低的医疗设备应用在宽带宽、高能量的射频噪声环境中时，EMI管理会更加复杂。

从设计者角度看，EMI的影响可以用优化电路的方法降低，优秀的电路有更强的EMI防护（immunity）性能及更低的辐射。传统的处理方式包括改进PCB布线、接地及限制传输路径。电子元器件必须放置在正确的PCB位置上，系统外壳设计、线缆屏蔽及滤波必须恰到好处。

医疗系统的隔离

为确保医疗电子设备免于本地电磁场及其他干扰，隔离器的安全测试参考了许多IEC-61000中的标准，使用的测试说明文档为IEC 60601-1-2，如表2所示。通过这些测试是非常困难的。系统不能出现任何的器件失效，参数变更，配置错误或极性错误。

EMI性能优秀的SILICON LABS隔离器

许多医疗系统用电流隔离的方式把病人、设备与危险的电压分开，以在地电压区域及（或）需减轻地干扰的高敏感电路区之间实现信号的电位转换（to level shift signals）。医疗电子系统通常用变压器或光耦隔离信号，但这两者都不是最优的方式。变压器会产生EMI且非常容易受到外界磁场的影响。光耦的EMI辐射较低且防护能力较强，但可靠性较低且共模瞬态抑制（CMTI)能力较差,后者严重影响隔离器信号传输的完整性。作为替代变压器及光耦的产品，Silicon labs隔离器利用先进的处理技术极大的提升了EMI特性、隔离性能及可靠性。这些隔离器是用处理过的氧化物或其他国内加工（native process)的材料在半导体模子上直接制造出的绝缘设备，如图1所示。更棒的是Silicon labs隔离器可以提供变压器或者电容两种隔离方式。

图1 Silicon labs隔离器模块图

图2A中的Silicon labs隔离器给输入的数字信号编码，通过隔离变压器T1传输这些数据，然后解码并存储数据到输出锁存器中。图2B显示了其对辐射EMI的响应特性。注意，设备在100MHz和300MHz之间产生了一个高达20dB的共振峰值，产生这个现象的具体原因不明，不过它应与T1的结构尺寸，电感值及Q值有关。

图2 Silicon labs变压器隔离器及辐射EMI

图3A中的Silicon labs隔离器在传输一个载波通过差分电容隔离栅（isolation barrier）。当足够的载波能量被检测到时，接收器输出端为逻辑高。不同于变压器设计，电容隔离并没有在特定频段因Q值产生较高的共振峰值。图3B显示了设备对辐射EMI的响应特性，测试方法与变压器隔离器完全一致。这个设备相较于变压器隔离表现出了更好的辐射EMI响应特性,其波形更平坦，幅度更低。

图3 Silicon labs电容式隔离器及辐射EMI

图4显示了Silicon labs变压器隔离器及电容隔离器在外部电场频率从DC到10GHz之间时，输出电压的变化情况。两种隔离器均输入接地以保证输出恒为低，Silicon labs电容隔离器（绿线）在上述频率范围内输出始终为低，然而变压器式隔离器在1GHz-2GHz之间输出为高。显然，电容隔离有更高的EMI防护性能，因为差分电容隔离路径和高接收器选择性共同抑制了共模场的干扰。

图4 电场防护性能比较

图5显示了Silicon labs变压器隔离器和电容隔离器的磁场防护性能。为满足IEC61000-4-9 的要求，以图表底部紫色磁场强度VS频率的曲线为参考，值等于或者高于它可接受，低于则不满足要求。在Y轴中段的点是一个单点等价规范（single-point equivalent specification ）（61000-4-8）。Silicon labs的两种隔离器满足这两个规范，电容隔离器相较于变压器隔离器具有更高的磁场防护度（degree of magnetic field immunity）。

图5 Silicon labs隔离器磁场防护性能比较

技术顾问：风九

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