光耦合器和變壓器通常用於醫療系統的隔離電路，但其不足之處也是設計界所熟知的，光耦合器速度慢，在溫度和老化變化過程中性能很不穩定，且都是單端裝置，因此共模瞬變抗干擾能力(CMTI)較差。此外，光耦合器基於砷化鎵(GaAs)製程技術，固有的內在損耗導致於高溫和/或LED大電流條件下發光強度降低。這種衰減降低了光耦合器的可靠性、效能和使用壽命。雖然變壓器提供了優於光電耦合器的高速度和可靠性，但它們無法通過直流和低頻訊號，因此在系統定時(例如，開啟時間和工作週期)應用中使用受限。而且變壓器一般體積大、效率低，往往需要額外的核心重定電路。
CMOS隔離器概述
不同於光耦合器，互補金屬氧化物半導體(CMOS)隔離器提供了更好的效能、可靠性、穩定性、省電效能和整合度。CMOS隔離器支援DC -150Mbps，佔用空間更少 (每個封裝最多有6個隔離通道)，而且效率更高。這些特性通過如下CMOS隔離器基礎技術實現：
- 主流、低功耗CMOS製程技術代替GaAs：CMOS是目前最成熟、並廣泛應用於全球的製程技術。先進的電路設計技術和CMOS技術使隔離器可達150Mbps資料傳輸速度、10ns傳播延遲、5.6mW/通道的功耗，以及領先業界的效能規格。CMOS隔離器在最大操作電壓和溫度下平均無故障時間(MTTF)超過1000年，這是光耦合器的10倍。
- RF載波代替光：RF技術進一步降低隔離器操作功耗，高度精確的頻率提高了雜訊抑制，元件封裝也比光耦合器更簡單。
- 差動隔離代替單端隔離：差動訊號路徑和接收靈敏度使得在無差錯操作下CMTI超過25kV/us，良好的外部RF抗干擾特性可達300V/m，磁場抗擾度可超過1000A/m之下操作零誤差，這些特性使得CMOS隔離器也適用於惡劣的工作環境(強電場和磁場)。
- 專利的EMI抑制技術：CMOS隔離器滿足FCC的B部分規範，並通過汽車J1750(CISPR)測試。
安全認證
從系統觀點來看，醫療設備根據操作電壓可分為不同的級別。I類設備工作於70V或更少，只需要對可接觸部分採用基本絕緣和保護接地。II類設備工作於70V電壓以上，要求增強或雙倍的絕緣。III類設備操作在25VAC或60VDC以下，常稱為安全電壓(SELV)。III類設備不需要隔離。
隔離器的核心是絕緣體，電介質強度決定了隔離器的電壓等級，隔離分類包括「基本型」和「增強型」。基本型隔離提供了對電擊的保護特性，但沒有考慮安全失效(failsafe)狀況(即故障不會導致系統自動轉變到一個安全、可靠的狀態)；基本型隔離裝置能夠被用戶使用，但必須被包含於系統之內。
對於基本型隔離設備的認證測試是在1分鐘、1.6kVRMS電壓下，最小爬電距離4mm。增強型隔離為破壞安全操作提供兩級保護，並允許用戶接入。增強型隔離設備的認證測試是在1分鐘、4.8kVRMS電壓下，最小爬電間距8mm。醫療電子系統幾乎總是需要增強型隔離特性，因為它要求具備安全失效保護特性。
增強型CMOS隔離器符合國際標準IEC/EN/DIN EN 60747-5-2，CMOS隔離器也符合IEC-60601-1醫療標準絕緣要求，該標準需要先通過UL(Underwriters Laboratories)1577或IEC-60747-5-2標準認證。IEC-60601-1為基本型和增強型隔離規定了電介質強度測試認證準則，包括爬電距離和電氣間隙限制，還有電壓和持續時間。
光耦合器使用塑膠複合化合物作為它們的主要絕緣材料，因此必須滿足內部間距規範，又稱絕緣穿透距離(DTI)，該規範可參考IEC 60601-1。對於光耦合器，DTI是LED和光接收器Die之間的距離，典型最小距離為0.4mm。CMOS隔離器使用半導體氧化物作為它們的主要絕緣材料，比使用複合化合物封裝有更好的電介質強度和一致性，因此佔用更少空間。為了通過IEC 60601-1認證，安全監管機構執行DTI測試，使CMOS隔離器在125度C溫度和250VACRMS外加電壓下進行10周測試，然後在4.8KVACRMS下進行1分鐘測試。請注意：對於CMOS隔離器的DTI評測比光耦合器更加嚴格。
醫療電子系統必須對外部干擾有免疫能力，如來自局部磁場、靜電、電源線擾動(如線路電壓暫降、浪湧和瞬變)。因此，無論是光耦合器還是CMOS隔離器都必須通過IEC - 61000標準。使用測試限度見IEC 60601-1-2規範，如表2所示。例如，靜電放電(ESD)需符合IEC 61000-4-2規範，並使用由IEC 60101-1-2規定的測試限度。 RF輻射及電源線擾動測試使用CISPR11測試方法，它是J1750汽車規範的子集。(CISPR不指定測試限度，它是一個測試方法的標準。)對於輻射和電源線敏感性的限制需符合IEC 60601-1-2規範。
通過這些測試的要求是非常嚴格的：系統不能有任何元件故障、參數變化、配置錯誤或誤報。除了外場免疫力，測試系統自身不能產生顯著射頻或傳導輻射。
典型醫療設備應用
圖2顯示了一個心電圖(ECG)前端示意圖，來自設備放大器的類比輸出經過高通濾波器，然後通過串列ADC轉換成數位格式。轉換後的資料通過增強型(5kV)數位隔離器進入控制器進行處理。該數位隔離器每個通道都可進行高達150Mbps「無瓶頸」資料傳輸。如果採用並行多個ADC輸出，則隔離功能可以使用少於4個六通道隔離器實現(假設16位元ADC)。
圖3顯示了除顫器電源部分，兩個高側/低側(high-side/low-side)隔離閘極驅動器驅動全橋電路。注意，此電路僅需要兩個標準高側閘極驅動器電路實現全橋驅動解決方案。每個閘極驅動器具有片上輸入訊號調整電路，包括史密特觸發器(Schmitt-trigger)輸入、UVLO保護輸入、輸出重疊保護和死區空載時間產生器。對於安全性至關重要的醫療系統來說，這些功能對於可靠運行是關鍵性的。
除了提供邏輯輸入閘極驅動器，Silicon Labs也提供增強的、功能相容光耦合驅動器的替代產品。Si822x隔離閘極驅動器能夠模仿光耦合器LED行為的輸入階段，可直接替換諸如HCPL-3120的閘極驅動器產品，也提供低功耗操作，工作溫度範圍內有更好的效能和可靠性。
醫療供電系統應用
圖4為相移調變全橋應用，典型的用於龐大醫療系統中的供電系統，例如臨床核磁共振影像(MRIs)。這些系統通常使用電流感應變壓器，需要外部核心重定電路和特殊的佈局。它們也有低幅度的輸出波形，通常導致低的電磁干擾效能。
當Q1和Q4處於開啟狀態時，測量電流在OUT2接腳出現；當Q2和Q3處於開啟狀態時， 電流從OUT1輸出。當電流發生循環時，積分器重定觸發(即當Q1和Q2同時打開，或Q3和Q4同時打開時)。
這些示例說明了如何應用CMOS隔離器的電路級於電子醫療系統上。其他系統可能使用CMOS隔離器於不同的電路功能，如電壓電平轉換或消除接地迴路雜訊。表3顯示了醫療電子系統從CMOS隔離技術中獲益的部分列表。這些或其他應用程式的隔離需求導致大量CMOS隔離器使用案例，醫療電子市場不斷發展過程中，CMOS隔離器技術終將取代傳統隔離技術。
總結
電子醫療系統必須具備可靠的整合隔離，確保病人和操作者的安全。嚴格的國際安全管理機構為了得到一致的安全特性，根據他們的規範發放醫療電子系統認證。隔離在這些系統中具有關鍵的作用，它必須是強健和可靠的，並且需較小的空間和成本。光耦合器和變壓器已經為醫療系統形成了各式各樣的隔離電路方案。然而隨著技術的發展，更小、更可靠和高效能隔離元件出現了，如單封裝、多通道數位隔離器、AC電流感應器和隔離閘極驅動器。這些隔離產品採用主流CMOS技術，與傳統方案相比，提供顯著的優勢，其失誤率僅為光耦合器的10分之一，COMS隔離產品是眾多電子醫療系統的理想選擇。
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作者 Don Alfano / Silicon Labs
參考文獻
• IEC 60601-1, “General Requirements for Basic Safety and Essential Performance”, International Electrotechnical Commission.
• IEC 60601-1-2, “International Standard for Medical Equipment”, International Electrotechnical Commission.
• Designing Medical Devices for Isolation and Safety, Avago Technologies, May 24, 2007 EDN Magazine
相關連結
CMOS Isolators: A Critical Safety Measure for Medical Electronics (益登科技電子報)
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