PCB技術 - 医療機器におけるスイッチング電源干渉

医療機器産業は人々の生命と健康に関わる新興産業で、スイッチング電源は医療機器の不可欠な一部として、他の一般電源よりも厳しい要求があります。では、医療用のスイッチング電源と私たちが使用している一般的な電源の違いはいったいどこにあるのでしょうか。

現在では、ほとんどの医療機器は医療用電源と組み合わせて使用されていますが、これまでも電源業界は急速に発展しており、電源自体の体積は以前に比べて大幅に縮小されており、外観、体積などの面でも現在のニーズにますます適応しています。

医療機器は一般的に特殊な環境で使用されるため、医療用電源の電気的要求は非常に厳しいです。例えば、IEC 60601-1アプライアンスの絶縁、漏れ電流要件および電磁互換性のあるYY 0505-2012またはその関連規格を満たす必要がありますが、通常の電源にはこのような厳しい基準はありません。もちろん、通常の電源にも対応する認可要件があります。一方、医療設備の電磁放射と電磁放射防護は医療用電源の重要なパラメータ基準で、サージと過渡電流強度、静電放電（ESD）及び無線周波干渉（RFI）防護能力などに関します。多くの医療用途はRF治療器や非侵襲電子手術器具に関連しているため、電源は影響を受けずに干渉を防ぐことができなければなりません。また、電源の圧力、電流、リップルなどの点でも非常に厳しいです。

スイッチング電源による干渉は、ノイズ干渉源の種類によって分けられ、スパイク干渉と高調波干渉の2種類に分けることができ、結合通路によって分けると、伝導干渉と放射干渉の2種類に分けることができます。

1、ダイオードの逆回復時間による干渉

高周波整流回路における整流ダイオードの順方向導通時には大きな順方向電流が流れ、それが逆バイアス電圧を受けてターンオフに移行すると、PN接合に多くのキャリアが蓄積されるため、キャリアが消滅するまでの間に電流が逆方向に流れてキャリアが消滅し、その後この逆方向回復電流が急激に減少するため、大きな電流変化（di/dt）が生じます。

2、スイッチングチューブの動作時に発生する高調波干渉

パワースイッチ管は、オン時に大きなパルス電流が流れます。例えば、正励起型、プッシュプル型、ブリッジコンバータの入力電流波形は、抵抗性負荷時には矩形波に近似され、高調波成分が豊富に含まれます。この高調波干渉は、ゼロ電流、ゼロ電圧スイッチを使用すると小さくなります。また、パワースイッチング管はオフ期間中、高周波変圧器の巻線漏れ感による電流の突然変異により、スパイク干渉も発生します。

3、交流入力回路による干渉

無周波変圧器のスイッチング電源入力端子整流管は、逆回復中に高周波減衰振動に干渉を引き起こします。スイッチング電源が発生するスパイク干渉と高調波干渉エネルギーは、スイッチング電源の入出力線を介して伝播されることにより形成される干渉を伝導干渉と呼びます。高調波と寄生振動のエネルギーは、入出力線を介して伝播すると、空間に電場と磁場が発生します。このような電磁放射による干渉を放射干渉と呼びます。

4、その他の原因

部品の寄生パラメータ、スイッチ電源の原理図の設計は完璧ではありません。プリント配線板（PCB）の引き廻しは通常手作業で配置され、大きな自由性を持っています。PCBの近接場干渉は大きく、プリント基板上のデバイスの設置、配置、および方位の不合理は、EMI干渉を引き起こします。

改善策の提案

現在、電磁干渉の伝播経路から干渉を抑制することは、すでに成熟したやり方です。私たちの視点はスイッチング電源装置自体に戻ります。長年の仕事の実践から見ると、回路面では以下の点に注意しなければなりません。

（1）プリント基板のレイアウト時、アナログ回路区とデジタル回路区を合理的に分け、電源とアース線を単独で引き出し、電源供給所を1点に集約します。PCB配線の場合、高周波デジタル信号線は短い線を使用し、主な信号線はPCBボードの中心に集中しやすく、同時に電源線はできるだけ高周波デジタル信号線から離れたり、アース線で隔てたりしなければなりません。次に、結合係数に基づいて配線することができ、干渉結合をできるだけ減らすことができます。

（2）プリント基板の電源線と接地線プリントバーをできるだけ広くして、線インピーダンスを減少させ、それによって共通インピーダンスによる干渉ノイズを減少させます。

（3）デバイスはパッチ素子を多く選択し、素子分布インダクタンスの影響を小さくするために、素子のピン長をできるだけ短くしなければなりません。

（4）Vdd及びVcc電源端にできるだけデバイスに近い位置にフィルタ容量を投入し、スイッチング電流の流通経路を短縮します。例えば10μFアルミニウム電解及び0.1μF容量は電源脚に並列に接続されています。高速デジタルICの電源端には、タンタル電解容量の対地インピーダンスがアルミニウム電解容量よりもはるかに小さいため、アルミニウム電解容量の代わりにタンタル電解容量を用いることができます。

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