基于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的無芯電源設(shè)計(jì)

在本文中，我想以大家熟悉的MRI（磁共振成像）醫(yī)學(xué)掃描儀設(shè)計(jì)為例，說明應(yīng)如何設(shè)計(jì)電源架構(gòu)，才能使其在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下正常工作。

核磁共振室對(duì)電子設(shè)備來說是一種非?？量痰碾姶牛‥M）環(huán)境。電子設(shè)備外部可能采取屏蔽，以便將磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減到某個(gè)程度，而使設(shè)備可正常工作而不至被破壞。如果沒有適當(dāng)?shù)钠帘危琈RI掃描產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)損壞電子設(shè)備，甚至可能將鐵磁物體吸入MRI的孔內(nèi)。

另一方面，來自電子設(shè)備的干擾可能會(huì)導(dǎo)致MRI成像錯(cuò)誤，因此必須解決電源設(shè)計(jì)方面的問題。

直到最近，設(shè)計(jì)用于MRI環(huán)境的電源功能比較有限，這取決于它們靠近MRI設(shè)備的距離。存在的磁場(chǎng)通常會(huì)導(dǎo)致電源失效。由鐵磁材料制成的物體會(huì)被吸入MRI機(jī)器中，貼著在MRI磁體上，這不是件好事。具有帶鐵芯變壓器和電感器的電源有可能造成這種災(zāi)難性情況的發(fā)生。

過去，為防止電源被吸入MRI機(jī)器中，通常會(huì)使用魔術(shù)貼將電源固定到房間的地面或其他固定樁子上。在這種情況下，會(huì)使用一條長(zhǎng)屏蔽電纜將電源連接到需要供電的病人監(jiān)護(hù)儀。這種方法違背了MR患者監(jiān)護(hù)儀的兩個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)。首先需要控制成本，但屏蔽電纜價(jià)格昂貴。另外需要具備移動(dòng)性，但病人監(jiān)護(hù)儀的可移動(dòng)范圍受其所連接屏蔽電纜的限制。最好的設(shè)計(jì)是將電源附著在病人監(jiān)護(hù)設(shè)備上。由于屏蔽電纜可以大幅縮短，這可以降低相應(yīng)成本。患者監(jiān)護(hù)儀的移動(dòng)性也增加了，因?yàn)殡娫礇]有連接到固定樁子上。

設(shè)計(jì)最佳的電源

設(shè)計(jì)電源板需要很多資源，并且需要進(jìn)行大量的測(cè)試。定制電源需要很快設(shè)計(jì)好，以便完成MRI掃描儀項(xiàng)目，并且可能與現(xiàn)成的電源質(zhì)量不同，因?yàn)楝F(xiàn)成的電源已經(jīng)過多年的開發(fā)了。此外，電源還必須符合患者監(jiān)護(hù)系統(tǒng)（如IEC60601）的相關(guān)安規(guī)。因?yàn)檫@類電源已經(jīng)通過了監(jiān)管程序，所以它只需要符合特定項(xiàng)目架構(gòu)的要求即可。

MRI設(shè)備及其周圍環(huán)境

MRI使用磁場(chǎng)和無線電波能量脈沖來創(chuàng)建身體內(nèi)部器官和結(jié)構(gòu)的圖像。由線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)通常在1~4T的范圍內(nèi)，這是一個(gè)巨大的磁場(chǎng)，會(huì)對(duì)某些電氣設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響，例如電源的變壓器可能會(huì)因此飽和，而無法在這樣的環(huán)境中正常工作。出于患者在MRI掃描期間的安全性和舒適度考慮，一些設(shè)備要求電源盡可能靠近負(fù)載，這意味著供電設(shè)備在受到線圈產(chǎn)生的高磁場(chǎng)影響的情況下，必須仍然能夠安全地運(yùn)行。

MRI使用大型磁鐵和無線電波來觀察人體內(nèi)的器官和結(jié)構(gòu)。當(dāng)為MRI架構(gòu)設(shè)計(jì)電源時(shí)，有許多具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)要求。由于MRI機(jī)器測(cè)量的敏感性，電源的振蕩器頻率需要精確地固定在某個(gè)點(diǎn)上，而不能干擾MRI成像。

Powerbox的MRI電源方案

挑戰(zhàn)

Powerbox公司的設(shè)計(jì)人員要開發(fā)一種新型的無芯供電電源GB350，項(xiàng)目啟動(dòng)后出現(xiàn)了很大的挑戰(zhàn)，這才意識(shí)到其復(fù)雜性（圖1）。由于電源設(shè)備是用于MRT（磁共振斷層掃描）系統(tǒng)，它將會(huì)受到非常強(qiáng)的磁場(chǎng)影響。這意味著，開發(fā)人員不能為上述產(chǎn)品使用帶磁芯的感性設(shè)備。

這個(gè)問題的解決方案包含一項(xiàng)新技術(shù)。新開發(fā)的無芯感性設(shè)備可讓電源在強(qiáng)磁場(chǎng)下也能正常運(yùn)行。此外，設(shè)計(jì)人員在前面板連接器上加裝了一個(gè)80dB的屏蔽罩，可以屏蔽掉測(cè)量系統(tǒng)對(duì)MRT系統(tǒng)的干擾。

該電源具有DSP穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器以及內(nèi)置速度控制的通風(fēng)裝置。設(shè)計(jì)人員開發(fā)出一種新技術(shù)，該技術(shù)具有無磁芯感應(yīng)和600kHz的四相開關(guān)功能——總共2.4MHz，可以使空芯（air-core）工作，以及一個(gè)數(shù)字處理器，可管理從開關(guān)參數(shù)到輸出電壓表征的一切。2.4MHz開關(guān)頻率可以與MRI或其他設(shè)備中的外部時(shí)鐘同步。該頻率減小了空芯電感器的尺寸，并將開關(guān)電源的開關(guān)頻率保持在MRI設(shè)備的敏感范圍之外，從而確保MRI設(shè)備中測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確處理，這是獲得高質(zhì)量圖像的關(guān)鍵。

該電源的輸入電壓為+13VDC，輸出電壓如下：

+6.90VDC/60A +3.45VDC/50A +1.65VDC/50A

作為同類產(chǎn)品中的第一款結(jié)構(gòu)單元，該電源的架構(gòu)是一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器模塊，能夠暴露在MRI掃描儀的高輻射磁場(chǎng)中而安全地工作。該電源具有350W的輸出功率，當(dāng)需要更高的功率時(shí)，可以采用交錯(cuò)式并聯(lián)，從而降低EMI。現(xiàn)代MRI系統(tǒng)通常會(huì)產(chǎn)生1~4T的磁場(chǎng)，而使采用鐵氧體材料的常規(guī)電源無法工作，因?yàn)镸RI磁體會(huì)干擾能量傳輸而導(dǎo)致電感飽和。

為了防止寄生飽和，電源一般放置在屏蔽手術(shù)室的外面。遠(yuǎn)程安裝電源需要較長(zhǎng)的電纜，而且會(huì)產(chǎn)生能量損耗；對(duì)于在快速瞬變負(fù)載條件下需要嚴(yán)格穩(wěn)壓供電的新一代測(cè)量設(shè)備來說，這也是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

該解決方案采用670W無芯設(shè)計(jì)，采用從電感向電感傳遞能量的原理。為了確保最佳性能，設(shè)計(jì)人員采用了DSP控制，以及具有并聯(lián)和交錯(cuò)的高級(jí)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而簡(jiǎn)化了功率調(diào)整，降低了EMI。為了保護(hù)整個(gè)電源免受電磁泄漏的干擾，電源還采用了80dB的屏蔽層進(jìn)行屏蔽保護(hù)。

在英國(guó)《Electronic Weekly（電子周刊）》雜志主辦的2017年Elektra Awards頒獎(jiǎng)大會(huì)上，Powerbox的這一設(shè)計(jì)榮獲年度最佳電源系統(tǒng)產(chǎn)品獎(jiǎng)（圖2）。該獎(jiǎng)項(xiàng)主要頒發(fā)給能夠在技術(shù)能力和實(shí)用性方面展示出優(yōu)于同類產(chǎn)品的電源產(chǎn)品。評(píng)選標(biāo)準(zhǔn)包括產(chǎn)品性能、設(shè)計(jì)應(yīng)用，以及新的拓?fù)浜图軜?gòu)、使用材料、高級(jí)半導(dǎo)體技術(shù)和封裝等。

GB350是一款非常聰明和絕妙的解決方案，解決了一個(gè)長(zhǎng)期以來從未解決的問題——它是款真正的第一。

MRI環(huán)境的分立電源設(shè)計(jì)

一些設(shè)計(jì)師努力去做自己的定制設(shè)計(jì)。有許多應(yīng)用要求開關(guān)電源解決方案完全不受強(qiáng)磁場(chǎng)的影響——即使是精心屏蔽的鐵氧體磁芯變壓器也會(huì)因?yàn)閺?qiáng)磁場(chǎng)而飽和。他們可能會(huì)使用開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)。然而，在自制設(shè)計(jì)中，MRI設(shè)備發(fā)出的RF場(chǎng)也需要予以考慮。設(shè)計(jì)人員需要了解他們的設(shè)計(jì)應(yīng)該如何進(jìn)行RF屏蔽（見參考文獻(xiàn)《Power Supply for MRI Environment（面向MRI環(huán)境的電源）》）。

通常情況下，空芯變壓器效率不高（20~30%），但可以完成這項(xiàng)工作。設(shè)計(jì)師需要問的問題是：我能夠在市場(chǎng)上買到的空芯電感器效率如何？這可以滿足我的設(shè)計(jì)要求嗎？

此外，市場(chǎng)上容易獲得的無芯電感器有多大？好像Farnell公司出售的型號(hào)最多只有0.5μH。

屏蔽材料

設(shè)計(jì)人員可能希望使用屏蔽材料來隔離高強(qiáng)度磁場(chǎng)。相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)于所有頻率不會(huì)保持不變。不同的屏蔽材料具有不同的相對(duì)磁導(dǎo)率，因此其有效屏蔽的特定頻率范圍也不同。表1列出了一些屏蔽材料在150kHz下的電氣屬性。

要注意不應(yīng)使鐵磁材料飽和，不然就會(huì)失去衰減磁場(chǎng)的能力。上述參考文獻(xiàn)中的解決方案建議創(chuàng)建一個(gè)雙層屏蔽層，其中外層具有較低的相對(duì)磁導(dǎo)率和較低的飽和磁化率，這將使得內(nèi)屏蔽層可以很好地屏蔽磁場(chǎng)。

德州儀器針對(duì)MRI電源的分立方案

德州儀器（TI）在其網(wǎng)站上對(duì)同步問題也有很好的評(píng)論，見《Create a power supply for an MRI application（為MRI應(yīng)用設(shè)計(jì)電源）》一文。電源的開關(guān)頻率必須與2.488MHz時(shí)鐘同步，因?yàn)镸RI在掃描時(shí)會(huì)輻射出一個(gè)高強(qiáng)度磁場(chǎng)，一般在1~4T的范圍內(nèi)。由于電源中使用的傳統(tǒng)磁芯材料會(huì)在這種強(qiáng)度的磁場(chǎng)下飽和，因此必須使用空芯電感來替換磁芯。然而，對(duì)于沒有鐵氧體磁芯材料的電感器，空芯方法只能提供非常低的電感值。

德州儀器為MRI電源方案推薦LM5140-Q1，這是一款達(dá)到汽車級(jí)要求的雙通道同步降壓控制器。這款I(lǐng)C能成為MRI應(yīng)用理想之選的一個(gè)特性就是，它能夠與高達(dá)2.6MHz的外部時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步。這個(gè)頻率上可以使用較小的空芯電感器，并且保持開關(guān)電源的開關(guān)頻率處于MRI設(shè)備的敏感范圍之外。這樣就能夠精確處理MRI中的測(cè)量信號(hào)而獲得高質(zhì)量圖像。

MRI電感器設(shè)計(jì)步驟

MRI電源所需的電感與開關(guān)頻率成正比，如公式1所示：

其中：L是μH級(jí)的電感，VOUT是輸出電壓，ΔI是電感紋波電流，F(xiàn)SW是開關(guān)頻率，D是占空比。

一旦計(jì)算出了所需的電感值，就可以使用公式2來確定空芯電感器的大小：

其中：L是μH級(jí)的電感，d是以in為單位的線圈直徑，I是以in為單位的線圈長(zhǎng)度，n是匝數(shù)。

對(duì)照公式1和公式2，可以看到較高的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致較低的電感值。較低的電感值所需的空芯電感尺寸就比較小。

解決方案是用氮化鎵（GaN）FET替換MOSFET。GaN FET的效率要比MOSFET高很多——因?yàn)槠渚哂袔缀鯙榱愕姆聪蚧謴?fù)時(shí)間、較低的RDS(ON)和較低的柵極電荷（(QG），所以可以將損耗降低至可控的水平。GaN FET具有關(guān)鍵的柵極驅(qū)動(dòng)要求，因此LM5113 GaN FET驅(qū)動(dòng)器也是必需的。

AVX公司提供空芯電感器樣品，Coilcraft公司有Air Core Springs和設(shè)計(jì)者工具。

在大電流下需要負(fù)電壓輸出

MRI應(yīng)用中更具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)要求之一是在大輸出電流下需要負(fù)輸出電壓。這是需要克服的另一個(gè)挑戰(zhàn)。表2顯示了MRI反相升降壓電源在電流為15.84A、電壓為48V至-15V（和48V至-8V）時(shí)的電源要求。這種反相升降壓拓?fù)涞膫鬟f函數(shù)（公式3）要求LM5140-Q1能夠承受VIN+VOUT，即50VMAX+15V=65V的電壓。

LM5140-Q1能夠在輸入電壓為65V（絕對(duì)最大值為70V）的情況下工作，克服了過電壓應(yīng)力的危險(xiǎn)。

實(shí)際上，在具體的系統(tǒng)中到底采用哪種類型的架構(gòu)方案還是由設(shè)計(jì)人員決定。我希望本文能夠提供一些幫助，讓您為自己的設(shè)計(jì)項(xiàng)目做出正確的選擇。