Фильтрующие конденсаторы N4700 для подавления помех от контактных колец трансформаторов тока.

Фильтрующие конденсаторы N4700 для подавления помех от контактных колец трансформаторов тока.

Резюме

Контактное кольцо позволяет вращать портал компьютерного томографа без использования кабелей, а также вносит широкополосный шум в линию синхронизации детектора. В этой статье представлена ​​модель генерации шума, три пути связи и важные параметры: десятки вольт контактного шума, 100 мВ наведенного напряжения и 140 мА емкостного тока. Затем приводятся шесть этапов проектирования и параметры конденсаторов, которые позволяют удерживать дрожание детектора ниже 100 пс среднеквадратичного значения.

1. Введение

Штанга компьютерного томографа вращается со скоростью до 4 оборотов в секунду. Контактное кольцо пропускает сотни ампер тока управления трубкой к вращающейся раме и передает данные детектора обратно на неподвижную раму. Это же кольцо также пропускает тактовый сигнал DAS, сигнал запуска рамы и сигналы готовности данных.

Эти три сигнала определяют момент выборки для каждого ряда детекторов. Контакт щетки с кольцом никогда не бывает чистым: шероховатость поверхности и оксидные слои оставляют лишь несколько микроконтактных точек для прохождения тока. Сопротивление контакта изменяется по мере вращения портала, и напряжение на контакте изменяется вместе с ним.

В результате возникает широкополосный шумовой импульс в диапазоне от десятков кГц до сотен МГц. Компания HVC проанализировала ряд жалоб на качество КТ-изображений и выявила, что около 25% аномалий связаны с шумовыми путями, возникающими из-за проскальзывания колец, и эффективному подавлению этих помех не удается. Несколько сотен милливольт шума достаточно, чтобы сместить момент выборки, а смещенный момент приводит к несовпадению рядов пикселей.

В данной статье представлена ​​модель генерации шума, три пути связи, шесть этапов проектирования и параметры конденсаторов, позволяющие удерживать дрожание детектора ниже 100 пс СКЗ.

2. Основной механизм

2.1 Контактный шум во временной и частотной областях

Контакт щетки и кольца происходит через сеть микроконтактных точек, поэтому контактное сопротивление R_contact изменяется со временем вращения:

R_contact(t) = R_0 + Σ ΔR_i · δ(t − t_i)

где R_0 — среднее контактное сопротивление в мОм, ΔR_i — скачок сопротивления на i-м микроконтакте в мОм, t_i обозначает момент этого скачка, а δ — импульсная функция.

Протекающий через изменяющееся сопротивление ток создает шумовое напряжение:

V_noise(t) = I · ΔR_contact(t)

где I — кольцевой ток в А, ΔR_contact — изменение контактного сопротивления в мОм, а V_noise — контактный шум в В.

Нарастание сигнала достигает наносекундного диапазона, а спектр охватывает частоты от десятков кГц до сотен МГц. При полной нагрузке контактное кольцо трансформатора тока достигает уровня контактного шума в десятки вольт, с пиками на частоте переключения инвертора и его гармониках.

2.2 Проводимость в синфазном и дифференциальном режимах

Синфазный шум возникает одновременно на сигнальной линии и на опорной земле и вызывает протекание тока по всей цепи:

I_CM = V_CM / (Z_CM_source + Z_CM_path + Z_CM_load)

где V_CM — синфазное напряжение в В, Z_CM_source — сопротивление источника в Ом, Z_CM_path — сопротивление пути в Ом, Z_CM_load — сопротивление нагрузки в Ом, а I_CM — синфазный ток в мА.

Генераторная цепь питания подает питание на лампу через силовые кольца с контактными кольцами. Пульсации тока в этой цепи создают синфазное напряжение на импедансе кольца. Это напряжение достигает опорной земли детектора через систему заземления штатива, и некачественная конструкция заземления преобразует часть его в дифференциальный шум.

2.3 Индуктивная и емкостная связь ближнего поля

Высоковольтный импульсный ток, подаваемый по кольцу, создает изменяющееся магнитное поле, которое индуцирует напряжение в соседних сигнальных петлях:

V_ind = −M · dI/dt

где M — взаимная индуктивность в нГн, dI/dt — скорость нарастания тока в А/с, а V_ind — индуцированное напряжение в мВ.

В процессе переключения лампы на кВ значение dI/dt достигает 10⁸ А/с. При взаимной индуктивности всего 1 нГн индуцированное напряжение проходит через сигнальную петлю на 100 мВ.

Паразитная емкость между высоковольтными узлами и сигнальными линиями добавляет второй путь связи:

I_cap = C_parasitic · dV/dt

где C_parasitic — паразитная емкость в пФ, dV/dt — скорость нарастания напряжения в кВ/мкс, а I_cap — ток связи в мА.

Импульс напряжением 140 кВ с фронтом нарастания 100 нс пропускает ток 140 мА через паразитную емкость 0.1 пФ. Это больше тока, чем подает драйвер тактового сигнала детектора.

2.4 Заземляющие петли во вращающемся шарнире

Вращающаяся и неподвижная рамы нуждаются в электрическом соединении, а длинные заземляющие кабели и конструкция портала образуют замкнутый контур. Шумовой ток в контуре создает напряжение на его импедансе:

V_loop = −dΦ/dt = −B · dA/dt

где Φ — магнитный поток в Вб, B — плотность магнитного потока в Т, A — площадь петли в см², а V_loop — индуцированное напряжение петли в мВ.

Большая площадь петли приводит к большему изменению магнитного потока и большему наведенному напряжению. Конструкция заземления, игнорирующая высокочастотное сопротивление, превращает петлю в эффективный путь распространения шума.

Рис. 1 — На тактовый сигнал достигают контактные шумы, наведенное напряжение 100 мВ и емкостной ток 140 мА; обходной канал в пределах 5 мм удерживает дрожание сигнала ниже 100 пс.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Сигнальные кольца расположены рядом с силовыми кольцами.

Осевое пространство контактных колец ограничено, поэтому в некоторых конструкциях сигнальные кольца располагаются близко к силовым кольцам без экранирующего отсека. Ступенчатые токи управления лампой затем вызывают шум непосредственно в синхронизационном кольце. 64-срезовый компьютерный томограф показал наличие артефактов в виде колец во время спирального сканирования, а спектральный анализ выявил одинаковую частоту в тактовом сигнале DAS и в токе силового кольца. Новая схема расположения колец с экранирующими слоями устранила артефакт.

Проблема 2: Заземляющие петли передают синфазные помехи.

Для вращающихся и стационарных рам требуется низкоимпедансное соединение, а длинный заземляющий кабель вместе с рамой портала образует петлю. Шумовой ток в петле вызывает падение напряжения, и это напряжение достигает входного каскада детектора через разность потенциалов между экраном и опорным напряжением. Петля действует как антенна, когда высокочастотное сопротивление заземляющей конструкции остается высоким.

Проблема №3: ​​Фильтрующие элементы теряют свою способность к обходу при частоте выше десятков МГц.

Алюминиевые электролитические конденсаторы и низковольтные керамические конденсаторы на частотах выше десятков МГц выглядят как разомкнутые цепи, поэтому они очень мало подавляют шум от контактных колец. Расположение компонентов имеет такое же значение, как и выбор самих компонентов, поскольку индуктивность и емкость выводов образуют последовательный резонанс:

f_s = 1 / (2π · √(L_lead · C))

где L_lead — индуктивность вывода в нГн, C — емкость в пФ, а f_s — частота последовательного резонанса в МГц.

Выше f_s компонент ведет себя как индуктор, и обходной путь исчезает. Конденсатор емкостью 1 нФ с индуктивностью выводов 20 нГн резонирует на частоте 35 МГц, которая находится в полосе шума контактных колец.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Зонирование контактного кольца по функциям.

Разделите кольцо на зону высоковольтного питания, зону низковольтного питания, зону аналоговых сигналов и зону цифровой синхронизации. Разделите зоны металлическими отсеками и токопроводящими прокладками. Разместите кольцо цифровой синхронизации на самом внешнем или самом внутреннем слое, вдали от силового кольца. Медные или алюминиевые отсеки со склеенными швами обеспечивают эффективность экранирования от 40 до 60 дБ.

Стратегия 2: Разработайте наземную дорожку до начала планировки.

Для низкочастотных цепей управления используйте одноточечное заземление, а для высокочастотных токов — многоточечное заземление вблизи источника шума. Соедините вращающуюся и неподвижную рамы низкоимпедансным контактным кольцом или медной оплеткой. Передавайте критически важные сигналы в виде дифференциальных пар по экранированному витому кабелю и заземляйте экран только на приемном конце.

Стратегия 3: Установите шунтирующий конденсатор на разъеме.

Установите керамический конденсатор N4700 класса I между каждой сигнальной линией и землей, на расстоянии не более 5 мм от контакта разъема. Конденсатор емкостью от 470 пФ до 2.2 нФ с номинальным напряжением 2 кВ или более и частичным разрядом менее 5 пКл покрывает полосу шума от контактных колец. Два или три небольших конденсатора, соединенных параллельно, расширяют полосу шунтирования лучше, чем один большой конденсатор.

ESL_total = ESL / n, ESR_total = ESR / n

где ESL и ESR — индуктивность и сопротивление одного конденсатора, ESL_total и ESR_total — эквивалентные значения для параллельного соединения, каждое в нГн и мОм, а n — количество параллельно соединенных частей. Четыре параллельно соединенных части оставляют 25% индуктивности одной части.

Стратегия 4: Добавить синфазный дроссель к каждой паре сигналов.

Последовательный синфазный дроссель подавляет ток, который не может отвести шунтирующий конденсатор. Размер импеданса дросселя должен быть таким, чтобы он преобладал над импедансом остальной части контура:

Z_CM ≥ 10 · (Z_source + Z_load)

где Z_CM — импеданс дросселя в Ом, Z_source — импеданс источника в Ом, Z_load — импеданс нагрузки в Ом, а коэффициент 10 устанавливает запас подавления 20 дБ. Дроссель с сопротивлением 600 Ом на частоте 100 МГц охватывает диапазон от 10 МГц до 100 МГц, создаваемый контактными кольцами трансформатора тока.

Стратегия 5: Фильтруйте также источник питания детектора.

Вход питания DAS служит вторым отверстием для того же шума. На каждом входе следует установить π- или T-фильтр с керамическим конденсатором с обеих сторон и ферритовым сердечником или чип-индуктором посередине. Обратный путь должен быть коротким и широким, а заземление фильтра следует соединить с плоскостью заземления детектора в одной точке.

Используйте те же низкоиндуктивные компоненты, что и в делителе обратной связи по напряжению. резисторы выборки HVRGXP и HVR-BSP толстопленочные резисторы Согласуйте характеристики делительных конденсаторов по температурному коэффициенту.

Стратегия 6: Проверка с помощью TDR и сканирования ближнего поля.

Измерьте импеданс вдоль линии синхронизации с помощью рефлектометрии во временной области и определите точки отражения от разъемов, переходных отверстий и разрывов экрана. Просканируйте поле вокруг кольца с помощью ближнеполевого зонда и определите места утечки. Затем измерьте дрожание детектора во время спирального сканирования при полной нагрузке и удерживайте его ниже 100 пс среднеквадратичного значения.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для подавления шума контактных колец.

Глубину шунтирования определяют два параметра конденсатора: импеданс на частоте шума и стабильность при изменении температуры и напряжения смещения. HVC-конструкции N4700 Комплектующие класса I для обоих устройств производятся на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане и рассчитаны на напряжение от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ESL ниже 8 нГн. Серия винтовых клемм HVCT8G поддерживает высокий уровень последовательного резонанса, поэтому обходной путь остается открытым во всем диапазоне шума контактных колец.
• Коэффициент потерь ниже 0.1% на частоте 1 МГц. Низкие потери обеспечивают охлаждение компонента при токах шунтирования, создаваемых контактным кольцом.
• TCC составляет ±30 ppm/°C. Емкость сохраняется во всем диапазоне температур портала, поэтому глубина обхода одинакова как в холодном помещении, так и в теплом портале.
• Частичный разряд составляет менее 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Это предотвращает превращение фильтрующего конденсатора в новый источник разряда в кольце.
• Номинальное напряжение 2 кВ и выше. Синхронизирующая линия относится к высоковольтному узлу, поэтому данная деталь должна иметь реальный запас по напряжению.
• Скоординированные компоненты и перекрестные ссылки. Быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды и пленочные конденсаторы компоненты HVC производятся на одной производственной линии и соответствуют электрическим параметрам. Мурата DHS/DHR и Вишай HVCC.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а фильтрующие массивы, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель, тогда как у указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в анализе путей связи, моделировании фильтров и проверке в ближнем поле.

Отправьте схему кольцевой схемы, типы сигналов, полосу шума и целевой уровень джиттера. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист согласования конденсаторов с номерами деталей, данными ESR и ESL на частоте шума, а также комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какой путь связи доминирует в возникновении шума от контактных колец на тактовом сигнале детектора?

Ниже 100 МГц обычно преобладает индуктивный путь, поскольку ток силового кольца имеет высокую скорость нарастания, а сигнальное кольцо находится близко к нему. V_ind = −M · dI/dt дает амплитуду: при 10⁸ А/с и взаимной индуктивности 1 нГн индуцированное напряжение превышает 100 мВ. Выше 100 МГц увеличивается емкостной путь, поскольку I_cap = C_parasitic · dV/dt масштабируется со скоростью нарастания фронта киловольтного импульса.

В2: На каком расстоянии от разъема должен располагаться шунтирующий конденсатор?

Достаточно близко, чтобы индуктивность выводов не смещала последовательный резонанс ниже полосы шума. При индуктивности выводов 20 нГн компонент емкостью 1 нФ резонирует на частоте 35 МГц, а выше этой частоты он выглядит индуктивным. Установите конденсатор на расстоянии не более 5 мм от вывода и поддерживайте эквивалентную последовательную индуктивность ниже 8 нГн. Два или три меньших компонента, соединенных параллельно, смещают резонанс выше, чем один большой компонент.

В3: Может ли низковольтный керамический конденсатор выполнить эту работу?

Это невозможно по двум причинам. Синхронизирующая линия относится к высоковольтной стороне, поэтому конденсатор должен иметь номинальное напряжение 2 кВ или более. В низковольтных компонентах также используется диэлектрик класса II с высоким коэффициентом напряжения, поэтому емкость уменьшается при постоянном напряжении, а глубина шунтирования изменяется в зависимости от рабочей точки.

Вопрос 4: Какой целевой уровень дрожания сигнала должна поддерживать данная конструкция?

Значения среднеквадратичного отклонения (RMS) ниже 100 пс, измеренные на детекторе во время спирального сканирования с полной загрузкой. Это значение на практике устраняет кольцевые артефакты. Проверьте три точки: тактовый сигнал DAS, триггер кадра и линию готовности данных. Одной неисправной линии достаточно, чтобы сдвинуть строку пикселей.

В5: Решает ли проблему только экранирование?

Экранирование закрывает путь излучения, а путь проводимости остается открытым. Синфазный ток поступает через силовые кольца и систему заземления, поэтому одного отсека недостаточно, чтобы его остановить. Разделите кольцо на зоны, соедините рамы низкоимпедансной перемычкой, отфильтруйте каждый входной сигнал и добавьте синфазный дроссель. Все четыре меры работают как единый комплект.

В6: Как проверяется исправление перед выпуском?

Три измерения. Рефлектометрия во временной области на линии синхронизации выявляет точки отражения и разрывы экрана. Сканирование кольца зондом ближнего поля обнаруживает очаги утечки. Затем спиральное сканирование с полной нагрузкой измеряет дрожание детектора относительно целевого значения 100 пс RMS. Конструкция, прошедшая все три измерения, сохраняет качество изображения в полевых условиях.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. А. Марискотти и Л. Ваккаро, Катушка Роговского для высоковольтных применений, в сборнике трудов конференции IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference 2008 года, стр. 1069-1073, 2008. https://doi.org/10.1109/imtc.2008.4547197
8. Сезон дуги и наблюдения за конструкцией доски (техническая заметка о высоковольтном дуговом пробое, остатках флюса и компоновке), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
9. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
10. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com