强磁场环境下的无芯电源设计

shuszhao

直到最近，设计用于MR（I 磁共振成像）环境的电源功能比较有限，这取决于它们靠近MRI设备的距离。存在的磁场通常会导致电源失效。由铁磁材料制成的物体会被吸入MRI机器中，贴着在MRI磁体上，这不是件好事。具有带铁芯变压器和电感器的电源有可能造成这种灾难性情况的发生。
在本文中，我想以大家熟悉的MRI（磁共振成像）医学扫描仪设计为例，说明应如何设计电源架构，才能使其在强磁场环境下正常工作。
核磁共振室对电子设备来说是一种非常苛刻的电磁（EM）环境。电子设备外部可能采取屏蔽，以便将磁场强度衰减到某个程度，而使设备可正常工作而不至被破坏。如果没有适当的屏蔽，MRI扫描产生的磁场会损坏电子设备，甚至可能将铁磁物体吸入MRI的孔内。
另一方面，来自电子设备的干扰可能会导致MRI成像错误，因此必须解决电源设计方面的问题。
直到最近，设计用于MRI环境的电源功能比较有限，这取决于它们靠近MRI设备的距离。存在的磁场通常会导致电源失效。由铁磁材料制成的物体会被吸入MRI机器中，贴着在MRI磁体上，这不是件好事。具有带铁芯变压器和电感器的电源有可能造成这种灾难性情况的发生。
过去，为防止电源被吸入MRI机器中，通常会使用魔术贴将电源固定到房间的地面或其他固定桩子上。在这种情况下，会使用一条长屏蔽电缆将电源连接到需要供电的病人监护仪。这种方法违背了MR患者监护仪的两个关键特点。首先需要控制成本，但屏蔽电缆价格昂贵。另外需要具备移动性，但病人监护仪的可移动范围受其所连接屏蔽电缆的限制。最好的设计是将电源附着在病人监护设备上。由于屏蔽电缆可以大幅缩短，这可以降低相应成本。患者监护仪的移动性也增加了，因为电源没有连接到固定桩子上。


设计最佳的电源

设计电源板需要很多资源，并且需要进行大量的测试。定制电源需要很快设计好，以便完成MRI扫描仪项目，并且可能与现成的电源质量不同，因为现成的电源已经过多年的开发了。此外，电源还必须符合患者监护系统（如IEC60601）的相关安规。因为这类电源已经通过了监管程序，所以它只需要符合特定项目架构的要求即可。


MRI设备及其周围环境

                               
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MRI使用磁场和无线电波能量脉冲来创建身体内部器官和结构的图像。由线圈产生的磁场通常在1~4T的范围内，这是一个巨大的磁场，会对某些电气设备产生严重的不利影响，例如电源的变压器可能会因此饱和，而无法在这样的环境中正常工作。出于患者在MRI扫描期间的安全性和舒适度考虑，一些设备要求电源尽可能靠近负载，这意味着供电设备在受到线圈产生的高磁场影响的情况下，必须仍然能够安全地运行。
MRI使用大型磁铁和无线电波来观察人体内的器官和结构。当为MRI架构设计电源时，有许多具有挑战性的设计要求。由于MRI机器测量的敏感性，电源的振荡器频率需要精确地固定在某个点上，而不能干扰MRI成像。


Powerbox的MRI电源方案



挑战

Powerbox公司的设计人员要开发一种新型的无芯供电电源GB350，项目启动后出现了很大的挑战，这才意识到其复杂性（图1）。由于电源设备是用于MRT（磁共振断层扫描）系统，它将会受到非常强的磁场影响。这意味着，开发人员不能为上述产品使用带磁芯的感性设备。
这个问题的解决方案包含一项新技术。新开发的无芯感性设备可让电源在强磁场下也能正常运行。此外，设计人员在前面板连接器上加装了一个80dB的屏蔽罩，可以屏蔽掉测量系统对MRT系统的干扰。

                               
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图1：GB350电源。
该电源具有DSP稳压转换器以及内置速度控制的通风装置。设计人员开发出一种新技术，该技术具有无磁芯感应和600kHz的四相开关功能——总共2.4MHz，可以使空芯（air-core）工作，以及一个数字处理器，可管理从开关参数到输出电压表征的一切。2.4MHz开关频率可以与MRI或其他设备中的外部时钟同步。该频率减小了空芯电感器的尺寸，并将开关电源的开关频率保持在MRI设备的敏感范围之外，从而确保MRI设备中测量信号的准确处理，这是获得高质量图像的关键。
该电源的输入电压为+13V[sub]DC[/sub]，输出电压如下：
+6.90V[sub]DC[/sub]/60A +3.45V[sub]DC[/sub]/50A +1.65V[sub]DC[/sub]/50A
作为同类产品中的第一款结构单元，该电源的架构是一个降压转换器模块，能够暴露在MRI扫描仪的高辐射磁场中而安全地工作。该电源具有350W的输出功率，当需要更高的功率时，可以采用交错式并联，从而降低EMI。现代MRI系统通常会产生1~4T的磁场，而使采用铁氧体材料的常规电源无法工作，因为MRI磁体会干扰能量传输而导致电感饱和。
为了防止寄生饱和，电源一般放置在屏蔽手术室的外面。远程安装电源需要较长的电缆，而且会产生能量损耗；对于在快速瞬变负载条件下需要严格稳压供电的新一代测量设备来说，这也是一项巨大的挑战。
该解决方案采用670W无芯设计，采用从电感向电感传递能量的原理。为了确保最佳性能，设计人员采用了DSP控制，以及具有并联和交错的高级电源拓扑结构，从而简化了功率调整，降低了EMI。为了保护整个电源免受电磁泄漏的干扰，电源还采用了80dB的屏蔽层进行屏蔽保护。
在英国《Electronic Weekly（电子周刊）》杂志主办的2017年Elektra Awards颁奖大会上，Powerbox的这一设计荣获年度最佳电源系统产品奖（图2）。该奖项主要颁发给能够在技术能力和实用性方面展示出优于同类产品的电源产品。评选标准包括产品性能、设计应用，以及新的拓扑和架构、使用材料、高级半导体技术和封装等。
GB350是一款非常聪明和绝妙的解决方案，解决了一个长期以来从未解决的问题——它是款真正的第一。

                               
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图2：在去年12月6日的伦敦特别奖颁奖晚会上，Powerbox的市场营销和通讯部主席（CMCO）Patrick Le Fèvre从著名喜剧演员Hal Cruttenden手中接过奖项——Hal Cruttenden应邀担任《Electronic Weekly》颁奖典礼主持人。（照片来源：Leo Johnson摄影）


MRI环境的分立电源设计

一些设计师努力去做自己的定制设计。有许多应用要求开关电源解决方案完全不受强磁场的影响——即使是精心屏蔽的铁氧体磁芯变压器也会因为强磁场而饱和。他们可能会使用开关电容电压转换技术。然而，在自制设计中，MRI设备发出的RF场也需要予以考虑。设计人员需要了解他们的设计应该如何进行RF屏蔽（见参考文献《Power Supply for MRI Environment（面向MRI环境的电源）》）。
通常情况下，空芯变压器效率不高（20~30%），但可以完成这项工作。设计师需要问的问题是：我能够在市场上买到的空芯电感器效率如何？这可以满足我的设计要求吗？
此外，市场上容易获得的无芯电感器有多大？好像Farnell公司出售的型号最多只有0.5μH。


屏蔽材料

设计人员可能希望使用屏蔽材料来隔离高强度磁场。相对磁导率对于所有频率不会保持不变。不同的屏蔽材料具有不同的相对磁导率，因此其有效屏蔽的特定频率范围也不同。表1列出了一些屏蔽材料在150kHz下的电气属性。

                               
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表1：150kHz时屏蔽材料的特性。（Hemming，1992）
要注意不应使铁磁材料饱和，不然就会失去衰减磁场的能力。上述参考文献中的解决方案建议创建一个双层屏蔽层，其中外层具有较低的相对磁导率和较低的饱和磁化率，这将使得内屏蔽层可以很好地屏蔽磁场。


德州仪器针对MRI电源的分立方案

德州仪器（TI）在其网站上对同步问题也有很好的评论，见《Create a power supply for an MRI application（为MRI应用设计电源）》一文。电源的开关频率必须与2.488MHz时钟同步，因为MRI在扫描时会辐射出一个高强度磁场，一般在1~4T的范围内。由于电源中使用的传统磁芯材料会在这种强度的磁场下饱和，因此必须使用空芯电感来替换磁芯。然而，对于没有铁氧体磁芯材料的电感器，空芯方法只能提供非常低的电感值。
德州仪器为MRI电源方案推荐LM5140-Q1，这是一款达到汽车级要求的双通道同步降压控制器。这款IC能成为MRI应用理想之选的一个特性就是，它能够与高达2.6MHz的外部时钟实现同步。这个频率上可以使用较小的空芯电感器，并且保持开关电源的开关频率处于MRI设备的敏感范围之外。这样就能够精确处理MRI中的测量信号而获得高质量图像。


MRI电感器设计步骤

MRI电源所需的电感与开关频率成正比，如公式1所示：

                               
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其中：L是μH级的电感，V[sub]OUT[/sub]是输出电压，ΔI是电感纹波电流，F[sub]SW[/sub]是开关频率，D是占空比。
一旦计算出了所需的电感值，就可以使用公式2来确定空芯电感器的大小：

                               
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其中：L是μH级的电感，d是以in为单位的线圈直径，I是以in为单位的线圈长度，n是匝数。
对照公式1和公式2，可以看到较高的开关频率会导致较低的电感值。较低的电感值所需的空芯电感尺寸就比较小。
表2列出了MRI设备的典型电源要求。其最高的电源轨是20.5A/12V，（标称）输入电压为48V。MOSFET R[sub]DS(ON)[/sub]和开关损耗（在2.488MHz工作时是主要的MOSFET损耗）两者相结合，使得热管理极具挑战性。
解决方案是用氮化镓（GaN）FET替换MOSFET。GaN FET的效率要比MOSFET高很多——因为其具有几乎为零的反向恢复时间、较低的R[sub]DS(ON)[/sub]和较低的栅极电荷（(Q[sub]G[/sub]），所以可以将损耗降低至可控的水平。GaN FET具有关键的栅极驱动要求，因此LM5113 GaN FET驱动器也是必需的。

                               
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表2：MRI电源轨。（图片由TI提供）
AVX公司提供空芯电感器样品，Coilcraft公司有Air Core Springs和设计者工具。


在大电流下需要负电压输出

MRI应用中更具挑战性的设计要求之一是在大输出电流下需要负输出电压。这是需要克服的另一个挑战。表2显示了MRI反相升降压电源在电流为15.84A、电压为48V至-15V（和48V至-8V）时的电源要求。这种反相升降压拓扑的传递函数（公式3）要求LM5140-Q1能够承受V[sub]IN[/sub]+V[sub]OUT[/sub]，即50V[sub]MAX[/sub]+15V=65V的电压。

                               
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LM5140-Q1能够在输入电压为65V（绝对最大值为70V）的情况下工作，克服了过电压应力的危险。
实际上，在具体的系统中到底采用哪种类型的架构方案还是由设计人员决定。我希望本文能够提供一些帮助，让您为自己的设计项目做出正确的选择。

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感觉很厉害呀

marktsui

郑先生

    

fengxz

强磁场环境下的无芯电源设计

学海无涯

高科技，不简单啊！

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