手持式醫(yī)療設備電源的紋波和噪聲的分析和測量

作者/ 孫麗萍1 蔡光躍2 周銀錦3 汪進進4

　　1.上海健康醫(yī)學院(上海 201318) 2.上海電子信息職業(yè)技術學院(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)的測量電源PARD的方法改進，用于手持式醫(yī)療設備電源PARD的測量，以醫(yī)用平板電腦電源為特例。測量時不做20MHz帶寬限制，選擇500MHz帶寬做初步測量，再根據(jù)實際情況選擇合適的帶寬。在測量中，本文棄用示波器探頭，改用1:1衰減50歐姆的同軸電纜測試。對比實驗驗證結(jié)果表明，改進后的測量方法能正確反映手持式醫(yī)療設備電源輸出電壓PARD的真實狀況，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，或稱作周期和隨機偏差(PARD，Periodic And Random Deviation)。紋波指輸出中的交流周期信號，在頻域觀察時，紋波顯示為雜散響應。與周期性紋波不同，噪聲是隨機的，噪聲分布在很寬的頻譜上，用頻譜分析儀查看時，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指標是電源質(zhì)量評價的一項重要內(nèi)容，“干凈”的電源是電路正常工作的前提，也是器件中各項參數(shù)的重要保障，尤其醫(yī)療和健康領域的電子產(chǎn)品，比如手持式醫(yī)療設備。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)務人員重要的醫(yī)療輔助工具，如記錄病例，實時記錄病人病情，實時遠程診斷等。因此，其電源PARD要求嚴格，既不能對其他醫(yī)療設備造成影響，也不能因為自身的PARD使其工作不穩(wěn)定造成重要的醫(yī)療數(shù)據(jù)丟失。因此，準確的測量醫(yī)用平板電腦電源的PARD，為電源設計和調(diào)整打下基礎，是每個醫(yī)療器械行業(yè)電源工程師的重要工作。本文通過嚴密的實驗，對比傳統(tǒng)的電源PARD測量方法，提出并實驗驗證改進的方法和步驟，結(jié)果證明其有效性。

1 傳統(tǒng)電源PARD測量方法

　　電源PARD測量主要有兩種工具，數(shù)字存儲示波器和交流毫伏表。交流毫伏表能方便地測出電源PARD的有效值，但有效值和交流毫伏表的頻響有很大關系^[1]，不同的頻率會有不同的測試值，因此，選用合適頻響的交流毫伏表是準確測量的關鍵。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的測量都采用數(shù)字存儲示波器。

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

　　(2)慎重選擇直流電子負載。在電子負載大規(guī)模應用之前，一般都選用精度比較高的滑動變阻器來控制調(diào)節(jié)電源電流輸出。但滑動變阻器無法調(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載。要注意的問題主要是直流電子負載自身的PARD要足夠小，不能影響電源PARD的測量。當然，如果是測量固定負載的電源PARD，可以不用直流電子負載。

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

　　(4)選用100MHz帶寬以上的示波器，并打開20MHz帶寬限制。傳統(tǒng)的開關電源開關頻率在幾十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。因此，需要打開20MHz帶寬限制防止偶發(fā)高頻信號串擾。根據(jù)示波器帶寬的定義，20MHz帶寬的示波器實際測試幅度只為輸入的70.7%，因此，必須選用5~10倍最高信號頻率帶寬的示波器。

　　(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環(huán)路干擾噪聲，使PARD出現(xiàn)測試誤差。50歐姆的同軸電纜或雙絞線適合各種復雜環(huán)境測試，讓外界干擾降到最小。有的數(shù)字存儲示波器設有標準的50歐姆輸入阻抗，這一設置更方便測量，不過需要50歐姆輸入阻抗有比較高的功率。

　　(6)數(shù)字存儲示波器本身應該良好接地。良好接地一是防止電源地線的串擾對測量造成影響，減小誤差;二是為了示波器和實驗者的安全。

　　(7)使用數(shù)字存儲示波器的交流耦合。測量PARD，不需要得到直流信號的細節(jié)，更多關注的是PARD的幅度，波形等，因此，用交流耦合直接把直流信號成分濾除。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。測量的結(jié)果為直流成分加上PARD峰值。

　　以上七條，適用于市場上多數(shù)電源的PARD測量。在實際應用中，不同的行業(yè)也有不同的要求，特別是對健康要求嚴格的醫(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)字存儲示波器和設置其帶寬限制。

2 改進的醫(yī)用平板電腦電源PARD測量方法

　　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。針對醫(yī)用平板電腦，將以上方法的核心第四條改進如下：

　　選用500MHz或以上高帶寬的數(shù)字存儲示波器，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為改進的電源PARD測量方法連接框圖。

3 實驗驗證及分析

　　為了驗證改進效果，實驗選用深圳鼎陽公司生產(chǎn)的SDS3052數(shù)字存儲示波器，其主要參數(shù)為：帶寬500MHz，實時采樣率4G Sa/s，存儲深度為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。

　　測量對象是一款醫(yī)用平板電腦擴容外設，如圖2所示。此設備是通過在醫(yī)用平板電腦上安裝對應的APP，在充電口加入外圍模塊來實現(xiàn)對平板電腦的擴容。這一款設備所用的存儲介質(zhì)是Micro SD卡。對其中Micro SD卡存儲部分的信號進行檢測，檢測這一部分回路是否符合SD規(guī)范。由于是固定電壓測量，不需要使用直流電子負載來調(diào)節(jié)輸出電流。在使用數(shù)字存儲示波器檢測SDVCC電壓的時候，根據(jù)對電源PARD的測量經(jīng)驗，測量電源PARD一般應限制在20MHz帶寬。

　　首先測量產(chǎn)品給SD供電的電壓波形。按照存儲芯片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)定的電壓下工作會有比較大的風險，甚至會對醫(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行測試，電源通過了一段PCB走線，包括一些芯片回路，應該存在高頻的PARD，如果采用20MHZ的帶寬限制，實際上是將原本屬于模塊的PARD濾掉了，為此，進行對比測試驗證。

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

　　通過測試，源端的電壓值在3.4V左右，即使使用數(shù)字存儲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所示的波形和測試結(jié)果。

　　第二步，直接在通過整個模塊后在Micro SD卡的供電腳SDVCC對電壓進行測量，如圖5。也采用數(shù)字存儲示波器探頭和地線，帶寬500MHz。當對供電點進行測試時，發(fā)現(xiàn)電源上有相當大的PARD，超出了規(guī)范要求的范圍，最大值達到3.814V，峰峰值最大達到854mV。如圖6所示測試的PARD波形和結(jié)果。

　　當把數(shù)字存儲示波器SDS3052設置為20MHz帶寬限制時，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帶寬限制時的波形和結(jié)果。

　　以上的測試，如果按照20MHz帶寬限制進行，會給測量帶來誤判，因為確實存在比較大的高頻PARD，數(shù)字存儲示波器的前端濾波會將本身存在的PARD濾掉，因此，必須采用500MHz帶寬進行測試。不過，以上的測試還不能確證PARD的大小，另外，采用了無源的示波器探頭加地線，也不能明確給出測量結(jié)果的誤差。

　　第三步，采用不同的接地環(huán)路對相同的測試點進行測量，如圖8所示，用帶地線和彈簧接地針的數(shù)字存儲示波器探頭進行測試。帶彈簧接地針的測試回路減少了信號的回流路徑，測試結(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)驗判斷，結(jié)果不夠準確。

　　第四步，數(shù)字存儲示波器標配的10:1無源探頭會對信號測量帶來比較大的偏差，會將數(shù)字存儲示波器本身的底噪提高10倍。因此，改用1:1衰減，50歐姆的同軸電纜對產(chǎn)品再次測量，以保證反映產(chǎn)品電源PARD的真實狀況。如圖9所示采用1:1衰減50歐姆同軸電纜測量，圖10為測試波形和結(jié)果。

　　采用1:1衰減50歐姆同軸電纜測試的結(jié)果，最大值為3.645V，比使用無源探頭3.814V的測量值少0.169V。測試的結(jié)果還是超出要求的范圍，雖然0.045V的PARD短時間內(nèi)對醫(yī)用平板電腦不會造成嚴重損害，但長期工作在比較大的PARD內(nèi)會使器件加速老化，縮短使用壽命。在手持式醫(yī)療設備中，過大的電源PARD，對其他精密醫(yī)療器械有干擾的風險。因此需要做非常精確的PARD測量，應選擇1:1衰減50歐姆電纜測量，盡量減少測量誤差，從而選用合格的手持式醫(yī)療設備。

4 結(jié)論

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

參考文獻:

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

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