手持式醫(yī)療設(shè)備電源的紋波和噪聲的分析和測(cè)量

作者/ 孫麗萍1 蔡光躍2 周銀錦3 汪進(jìn)進(jìn)4

　　1.上海健康醫(yī)學(xué)院(上海 201318) 2.上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院(上海 201411)

　　3.深圳市江波龍電子有限公司(廣東 深圳 518057)4.深圳市鼎陽科技有限公司(廣東 深圳 518101)

摘要：本文將傳統(tǒng)的測(cè)量電源PARD的方法改進(jìn)，用于手持式醫(yī)療設(shè)備電源PARD的測(cè)量，以醫(yī)用平板電腦電源為特例。測(cè)量時(shí)不做20MHz帶寬限制，選擇500MHz帶寬做初步測(cè)量，再根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的帶寬。在測(cè)量中，本文棄用示波器探頭，改用1:1衰減50歐姆的同軸電纜測(cè)試。對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，改進(jìn)后的測(cè)量方法能正確反映手持式醫(yī)療設(shè)備電源輸出電壓PARD的真實(shí)狀況，為抑制電源特別是特殊用途電源PARD提供了思路。

引言

　　直流電源輸出的交流雜散稱為紋波和噪聲，或稱作周期和隨機(jī)偏差(PARD，Periodic And Random Deviation)。紋波指輸出中的交流周期信號(hào)，在頻域觀察時(shí)，紋波顯示為雜散響應(yīng)。與周期性紋波不同，噪聲是隨機(jī)的，噪聲分布在很寬的頻譜上，用頻譜分析儀查看時(shí)，顯示為基線升高。由于紋波和噪聲通常混合在一起不容易區(qū)分開，在本文中用PARD表示這種組合效果。PARD指標(biāo)是電源質(zhì)量評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，“干凈”的電源是電路正常工作的前提，也是器件中各項(xiàng)參數(shù)的重要保障，尤其醫(yī)療和健康領(lǐng)域的電子產(chǎn)品，比如手持式醫(yī)療設(shè)備。本文以醫(yī)用平板電腦為分析研究的特例，醫(yī)用平板電腦目前已是醫(yī)務(wù)人員重要的醫(yī)療輔助工具，如記錄病例，實(shí)時(shí)記錄病人病情，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程診斷等。因此，其電源PARD要求嚴(yán)格，既不能對(duì)其他醫(yī)療設(shè)備造成影響，也不能因?yàn)樽陨淼腜ARD使其工作不穩(wěn)定造成重要的醫(yī)療數(shù)據(jù)丟失。因此，準(zhǔn)確的測(cè)量醫(yī)用平板電腦電源的PARD，為電源設(shè)計(jì)和調(diào)整打下基礎(chǔ)，是每個(gè)醫(yī)療器械行業(yè)電源工程師的重要工作。本文通過嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)，對(duì)比傳統(tǒng)的電源PARD測(cè)量方法，提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)的方法和步驟，結(jié)果證明其有效性。

1 傳統(tǒng)電源PARD測(cè)量方法

　　電源PARD測(cè)量主要有兩種工具，數(shù)字存儲(chǔ)示波器和交流毫伏表。交流毫伏表能方便地測(cè)出電源PARD的有效值，但有效值和交流毫伏表的頻響有很大關(guān)系^[1]，不同的頻率會(huì)有不同的測(cè)試值，因此，選用合適頻響的交流毫伏表是準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)鍵。交流毫伏表不能直觀地觀察電源PARD波形，因此，絕大多數(shù)電源PARD的測(cè)量都采用數(shù)字存儲(chǔ)示波器。

　　(1)選用垂直檔位比較小的數(shù)字存儲(chǔ)示波器。由于PARD一般的測(cè)量數(shù)值都是幾毫伏/毫安到幾十毫伏/毫安不等，如果數(shù)字存儲(chǔ)示波器本身的垂直檔位太大，則測(cè)出的PARD值粗略而不準(zhǔn)確，所以模擬示波器就不適合測(cè)量PARD。根據(jù)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，垂直檔位最好有1mV/div或更小，方便精確測(cè)量PARD。

　　(2)慎重選擇直流電子負(fù)載。在電子負(fù)載大規(guī)模應(yīng)用之前，一般都選用精度比較高的滑動(dòng)變阻器來控制調(diào)節(jié)電源電流輸出。但滑動(dòng)變阻器無法調(diào)整精度，本身也有熱噪聲的問題，現(xiàn)在一般都選用直流電子負(fù)載。要注意的問題主要是直流電子負(fù)載自身的PARD要足夠小，不能影響電源PARD的測(cè)量。當(dāng)然，如果是測(cè)量固定負(fù)載的電源PARD，可以不用直流電子負(fù)載。

　　(3)選用存儲(chǔ)深度比較大的數(shù)字存儲(chǔ)示波器。PARD波形一般都比較雜亂無序，需要看到更多PARD波形細(xì)節(jié)，就要求足夠大的存儲(chǔ)深度。因此為了精確測(cè)量，一般選用2Mega點(diǎn)以上的存儲(chǔ)深度。

　　(4)選用100MHz帶寬以上的示波器，并打開20MHz帶寬限制。傳統(tǒng)的開關(guān)電源開關(guān)頻率在幾十Hz到幾MHz之間，其工作中產(chǎn)生的PARD一般都小于20MHz，20MHz以上可以忽略不計(jì)。因此，需要打開20MHz帶寬限制防止偶發(fā)高頻信號(hào)串?dāng)_。根據(jù)示波器帶寬的定義，20MHz帶寬的示波器實(shí)際測(cè)試幅度只為輸入的70.7%，因此，必須選用5~10倍最高信號(hào)頻率帶寬的示波器。

　　(5)棄用示波器探頭，選用50歐姆的同軸電纜或雙絞線。示波器探頭地線和探針之間容易耦合進(jìn)環(huán)路干擾噪聲，使PARD出現(xiàn)測(cè)試誤差。50歐姆的同軸電纜或雙絞線適合各種復(fù)雜環(huán)境測(cè)試，讓外界干擾降到最小。有的數(shù)字存儲(chǔ)示波器設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)的50歐姆輸入阻抗，這一設(shè)置更方便測(cè)量，不過需要50歐姆輸入阻抗有比較高的功率。

　　(6)數(shù)字存儲(chǔ)示波器本身應(yīng)該良好接地。良好接地一是防止電源地線的串?dāng)_對(duì)測(cè)量造成影響，減小誤差;二是為了示波器和實(shí)驗(yàn)者的安全。

　　(7)使用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的交流耦合。測(cè)量PARD，不需要得到直流信號(hào)的細(xì)節(jié)，更多關(guān)注的是PARD的幅度，波形等，因此，用交流耦合直接把直流信號(hào)成分濾除。如果直流輸出較小，在幾伏以下，又需要直觀的看到直流成分，可以使用直流耦合，得到全波形。測(cè)量的結(jié)果為直流成分加上PARD峰值。

　　以上七條，適用于市場(chǎng)上多數(shù)電源的PARD測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用中，不同的行業(yè)也有不同的要求，特別是對(duì)健康要求嚴(yán)格的醫(yī)療行業(yè)、迅猛發(fā)展的通訊行業(yè)、3C電子產(chǎn)業(yè)等，其產(chǎn)品內(nèi)部電源大量運(yùn)用了高頻器件，20MHz以上的PARD就不能忽略，需要正確的選用數(shù)字存儲(chǔ)示波器和設(shè)置其帶寬限制。

2 改進(jìn)的醫(yī)用平板電腦電源PARD測(cè)量方法

　　醫(yī)用平板電腦和平常的平板電腦無區(qū)別，但使用環(huán)境和其作用比后者更苛刻。醫(yī)用平板電腦電源自身的PARD不能影響其他精密醫(yī)療器械的工作，也不能對(duì)某些特殊病人的健康造成威脅，而且所記錄的醫(yī)療數(shù)據(jù)要求牢靠，不受影響。針對(duì)醫(yī)用平板電腦，將以上方法的核心第四條改進(jìn)如下：

　　選用500MHz或以上高帶寬的數(shù)字存儲(chǔ)示波器，觀察PARD波形，記錄PARD峰峰值和有效值，分別打開200MHz帶寬限制、100MHz帶寬限制和20MHz帶寬限制，分別記錄PARD峰峰值和有效值。比較數(shù)值，以最大的PARD有效值為最終的電源PARD值。如圖1為改進(jìn)的電源PARD測(cè)量方法連接框圖。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

　　為了驗(yàn)證改進(jìn)效果，實(shí)驗(yàn)選用深圳鼎陽公司生產(chǎn)的SDS3052數(shù)字存儲(chǔ)示波器，其主要參數(shù)為：帶寬500MHz，實(shí)時(shí)采樣率4G Sa/s，存儲(chǔ)深度為10Mpts/CH，最小垂直檔位1mV/div，波形捕獲率最高250000幀/s，帶50歐姆輸出阻抗。

　　測(cè)量對(duì)象是一款醫(yī)用平板電腦擴(kuò)容外設(shè)，如圖2所示。此設(shè)備是通過在醫(yī)用平板電腦上安裝對(duì)應(yīng)的APP，在充電口加入外圍模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)平板電腦的擴(kuò)容。這一款設(shè)備所用的存儲(chǔ)介質(zhì)是Micro SD卡。對(duì)其中Micro SD卡存儲(chǔ)部分的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)這一部分回路是否符合SD規(guī)范。由于是固定電壓測(cè)量，不需要使用直流電子負(fù)載來調(diào)節(jié)輸出電流。在使用數(shù)字存儲(chǔ)示波器檢測(cè)SDVCC電壓的時(shí)候，根據(jù)對(duì)電源PARD的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，測(cè)量電源PARD一般應(yīng)限制在20MHz帶寬。

　　首先測(cè)量產(chǎn)品給SD供電的電壓波形。按照存儲(chǔ)芯片Micro SD卡供電要求的范圍：2.7~3.6V，不允許超出此范圍，否則，芯片在不穩(wěn)定的電壓下工作會(huì)有比較大的風(fēng)險(xiǎn)，甚至?xí)?duì)醫(yī)用平板電腦正常工作帶來影響。

　　醫(yī)用平板電腦引出來的端口作為電源的源端，而通過后端的外圍模塊后在末端進(jìn)行測(cè)試，電源通過了一段PCB走線，包括一些芯片回路，應(yīng)該存在高頻的PARD，如果采用20MHZ的帶寬限制，實(shí)際上是將原本屬于模塊的PARD濾掉了，為此，進(jìn)行對(duì)比測(cè)試驗(yàn)證。

　　第一步，驗(yàn)證醫(yī)用平板電腦的供電端在工作時(shí)的電壓輸出，通過直接驗(yàn)證保證源端的供電是正常的，如圖3所示。

　　通過測(cè)試，源端的電壓值在3.4V左右，即使使用數(shù)字存儲(chǔ)示波器探頭以及地線，帶寬放寬至500MHz，峰峰值最大才為29mV，是非常穩(wěn)定的供電。因此排除源端供電的問題。如圖4所示的波形和測(cè)試結(jié)果。

　　第二步，直接在通過整個(gè)模塊后在Micro SD卡的供電腳SDVCC對(duì)電壓進(jìn)行測(cè)量，如圖5。也采用數(shù)字存儲(chǔ)示波器探頭和地線，帶寬500MHz。當(dāng)對(duì)供電點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)電源上有相當(dāng)大的PARD，超出了規(guī)范要求的范圍，最大值達(dá)到3.814V，峰峰值最大達(dá)到854mV。如圖6所示測(cè)試的PARD波形和結(jié)果。

　　當(dāng)把數(shù)字存儲(chǔ)示波器SDS3052設(shè)置為20MHz帶寬限制時(shí)，電源輸出變得非常好，完全在供電要求的范圍內(nèi)。如圖7所示20MHz帶寬限制時(shí)的波形和結(jié)果。

　　以上的測(cè)試，如果按照20MHz帶寬限制進(jìn)行，會(huì)給測(cè)量帶來誤判，因?yàn)榇_實(shí)存在比較大的高頻PARD，數(shù)字存儲(chǔ)示波器的前端濾波會(huì)將本身存在的PARD濾掉，因此，必須采用500MHz帶寬進(jìn)行測(cè)試。不過，以上的測(cè)試還不能確證PARD的大小，另外，采用了無源的示波器探頭加地線，也不能明確給出測(cè)量結(jié)果的誤差。

　　第三步，采用不同的接地環(huán)路對(duì)相同的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，如圖8所示，用帶地線和彈簧接地針的數(shù)字存儲(chǔ)示波器探頭進(jìn)行測(cè)試。帶彈簧接地針的測(cè)試回路減少了信號(hào)的回流路徑，測(cè)試結(jié)果比原來的6英寸接地線效果好一些，但差別不大，最大值為3.8V，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

　　第四步，數(shù)字存儲(chǔ)示波器標(biāo)配的10:1無源探頭會(huì)對(duì)信號(hào)測(cè)量帶來比較大的偏差，會(huì)將數(shù)字存儲(chǔ)示波器本身的底噪提高10倍。因此，改用1:1衰減，50歐姆的同軸電纜對(duì)產(chǎn)品再次測(cè)量，以保證反映產(chǎn)品電源PARD的真實(shí)狀況。如圖9所示采用1:1衰減50歐姆同軸電纜測(cè)量，圖10為測(cè)試波形和結(jié)果。

　　采用1:1衰減50歐姆同軸電纜測(cè)試的結(jié)果，最大值為3.645V，比使用無源探頭3.814V的測(cè)量值少0.169V。測(cè)試的結(jié)果還是超出要求的范圍，雖然0.045V的PARD短時(shí)間內(nèi)對(duì)醫(yī)用平板電腦不會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p害，但長(zhǎng)期工作在比較大的PARD內(nèi)會(huì)使器件加速老化，縮短使用壽命。在手持式醫(yī)療設(shè)備中，過大的電源PARD，對(duì)其他精密醫(yī)療器械有干擾的風(fēng)險(xiǎn)。因此需要做非常精確的PARD測(cè)量，應(yīng)選擇1:1衰減50歐姆電纜測(cè)量，盡量減少測(cè)量誤差，從而選用合格的手持式醫(yī)療設(shè)備。

4 結(jié)論

　　本文主要從實(shí)驗(yàn)測(cè)試的角度分析如何有效的測(cè)量手持式醫(yī)療設(shè)備電源(醫(yī)用平板電腦電源為特例)的PARD。如果采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法，直接選擇20MHz帶寬限制進(jìn)行測(cè)試，將無法正確的反映醫(yī)用平板電腦電源輸出的真實(shí)狀況。在醫(yī)療器械領(lǐng)域中涉及到設(shè)備電源電壓監(jiān)控測(cè)量中，應(yīng)考慮到內(nèi)部高頻器件的干擾，不能簡(jiǎn)單把帶寬限制在20MHz。具體選擇多大的帶寬，要具體問題具體分析，最簡(jiǎn)單的辦法是從高帶寬(例如500MHz)往下驗(yàn)證，得出電源PARD最真實(shí)的值。如需要精確的測(cè)量電源的PARD，應(yīng)當(dāng)不用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的探頭，改用1:1衰減50歐姆的同軸電纜或雙絞線進(jìn)行測(cè)量。

參考文獻(xiàn):

　　[1]張國(guó)安,翟長(zhǎng)生,祁承超,張顯才.沖量控制技術(shù)消除開關(guān)電源低頻紋波的研究[J].電力電子技術(shù),2009,15(04):213-215.

本文來源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第73頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。