Совместная настройка высоковольтного делителя и фильтра для входных каскадов систем жизнеобеспечения.

Совместная настройка высоковольтного делителя и фильтра для входных каскадов систем жизнеобеспечения.

Резюме

Каждый аппарат ИВЛ, анестезиологическая станция и диализный аппарат имеют входной каскад для подключения к пациенту. Высоковольтный делитель устанавливает опорное напряжение, а RC-фильтр подавляет помехи переключения. Оба блока проходят собственную проверку, но всё равно неправильно считываются в пределах полосы пропускания сигнала, поскольку фильтр воспринимает делитель как источник, и они образуют одну нагруженную сеть. В этой статье приводятся уравнения связи, четыре варианта отказов в полевых условиях и этапы совместной настройки.

1. Введение

Попросите одного инженера спроектировать делитель напряжения 3 кВ, и работа будет выполнена тщательно: проверены номинальные напряжения, учтены потери на утечку, температурный коэффициент сопротивления указан на чертеже. Попросите другого инженера спроектировать следующий RC-фильтр, и работа будет выполнена тщательно. Оба проекта правильны сами по себе.

В точке интеграции эти два элемента встречаются. Изоляционный монитор аппарата ИВЛ показывает заниженное значение на 2.7% на частоте 10 кГц. На рабочем месте анестезиолога отображается пиковое значение на частоте 640 Гц, которое отсутствует в любом файле проекта. Неисправность находится на границе раздела, где сеть, построенная для подавления постоянного тока, встречается с сетью, построенной для подавления переменного тока.

Ставки высоки. Монитор изоляции пациента должен обнаружить ухудшение изоляции до того, как утечка достигнет предела IEC 60601-1 в 10 мкА. Ошибка усиления в 3% на входном каскаде расходует 3% пространства для принятия решений при каждом пороговом значении сигнала тревоги. Сигналы неисправностей и физиологические сигналы имеют частоту от десятков Гц до сотен кГц, поэтому именно коэффициент усиления в этом диапазоне используется логикой безопасности.

В этой статье приводятся уравнения связи с указанием расчетных значений, четыре типа отказов, возникающих при изолированном проектировании, а также метод совместной настройки резисторов и конденсаторов в этой цепочке.

2. Основной механизм

2.1 Фильтр воспринимает сопротивление Тевенина

В схеме обнаружения пациента используется верхний резистор R1 сопротивлением 9 МОм и нижний резистор R2 сопротивлением 1 МОм, подключенные к контролируемому узлу, а также фильтрующий конденсатор C_f, соединяющий вывод с изолированной землей. Коэффициент усиления по постоянному току равен K_DC = R2/(R1+R2) = 0.1. На частоте сигнала конденсатор подключается параллельно резистору R2:

K(f) = Z_p / (R1 + Z_p), where Z_p = R2 ∥ 1/(jω · C_f)

где Z_p — параллельное соединение нижнего плеча и емкости фильтра, R1 — верхнее плечо, а ω — угловая частота на частоте 2πf.

Угол возникает из-за сопротивления, которое действительно ощущает C_f:

f_c = 1 / (2π · R_th · C_f), with R_th = R1 · R2 / (R1 + R2)

где f_c — частота среза в Гц, R_th — сопротивление Тевенина на отводе, а C_f — емкость фильтра в Ф.

Расчетный случай: R1 = 9 МОм и R2 = 1 МОм, R_th = 0.9 МОм. При C_f = 100 пФ, f_c = 1.77 кГц. Разработчик, предположивший источник 100 Ом, установил частоту среза на уровне 16 кГц, что на порядков выше. Реальный срез частоты срезает сигнал неисправности на частоте 10 кГц на 15 дБ вместо 1.6 дБ. Алгоритм, которому требуется 40% амплитуды сигнала, обнаруживает 18%, и сигнал тревоги срабатывает с задержкой.

2.2 Паразитная емкость верхней части плеча делит два соотношения.

Корпус детали сопротивлением 9 МОм, её контактные площадки и зазор утечки образуют паразитную ёмкость C_s на верхнем плече. Там, где 1/(ω·C_s) ​​находится вблизи R1, паразитная ёмкость обходит R1:

f_s = 1 / (2π · R1 · C_s)

где f_s — частота, при которой паразитная полярность начинает обходить верхнее плечо, R1 — верхнее плечо в Ом, а C_s — паразитная емкость в Ф.

Деталь дверной ручки с длиной пути утечки 8 мм показывает C_s ≈ 0.5 пФ, следовательно, f_s ≈ 35.4 кГц. Ошибка отношения на частоте 10 кГц составляет около 0.4%, и она возрастает пропорционально квадрату частоты. Более длинный путь утечки увеличивает C_s до 5 пФ, что снижает f_s до 3.5 кГц. Тогда ошибка на частоте 10 кГц достигает 1.8%, и целевая точность ±1% не достигается. Более длинный путь утечки изменяет коэффициент усиления полосы фильтра.

2.3 Условия компенсации

Разработчики осциллографических щупов решили эту проблему с помощью подстроечного конденсатора, подключенного параллельно верхнему плечу. Когда конденсатор C1 подключен параллельно резистору R1 и выполняется условие, указанное ниже, отношение перестает изменяться с частотой:

R1 · C1 = R2 · C2, with C2 = C_f + C_s2

где C1 — емкость подстройки на верхнем плече, C2 — общая емкость на отводе, C_f — емкость фильтра, а C_s2 — паразитная емкость на нижнем плече.

При R1 = 9 МОм, R2 = 1 МОм, C_f = 100 пФ и C_s2 = 10 пФ условие требует C1 = 12.2 пФ. Допуск конденсатора ±5% плюс отслеживание резистора ±1% приводят к рассогласованию около ±7%, что проявляется как 1.8% перерегулирования на шаге. Совместная настройка — это задача измерения: подгоните значение на реальной плате и наблюдайте за ним при нагреве.

2.4 Несоответствие температурных коэффициентов

Отношение R2/(R1+R2) сохраняется при нагревании только тогда, когда оба плеча движутся одновременно. Отсюда следует дробный дрейф:

ΔK / K ≈ (α2 − α1) · R1 / (R1 + R2) · ΔT

где ΔK/K — дробное изменение отношения, α1 и α2 — температурные коэффициенты двух плеч в ppm/°C, а ΔT — шаг нагрева в °C.

Примем α1 = +250 ppm/°C в верхнем плече и α2 = +100 ppm/°C в нижнем плече при перепаде температур в камере 40 °C. Дрейф составляет −0.54%. Калибровочный стенд при 23 °C никогда этого не зафиксирует. Фильтрующий элемент класса II добавляет свой собственный член: при смещении узла отвода он может потерять 20% или более своего значения, поэтому угловая точка смещается вместе с коэффициентом.

Рис. 1 — Угол фильтра обусловлен сопротивлением Тевенина делителя 0.9 МОм, поэтому 100 пФ приходится на частоту 1.77 кГц, а для паразитного сигнала требуется подстройка 12.2 пФ.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: калибровка постоянного тока проходит успешно, а внутриполосная калибровка усиления — нет.

В процессе производства калибровка канала изоляции аппарата ИВЛ с точностью до 0.2% по постоянному току. При вводе системной ошибки сигнатура на частоте 10 кГц показывает снижение на 2–4%, а анализ сигналов тревоги показывает только 60% от ожидаемого уровня обнаружения. В сумме дают две ошибки: полюс фильтра ослабляет сигнал на 15 дБ на частоте 10 кГц, в то время как паразитный сигнал на плече увеличивает усиление до 1.8%. Калибровка по постоянному току не позволяет обнаружить ни один из этих параметров.

Проблема 2: Уголок фильтра смещается под воздействием смещения и тепла.

Спустя шесть месяцев после отгрузки данные сервисного обслуживания показывают, что в зданиях с высокой коммутационной нагрузкой срабатывают шумовые сигнализации. Возвращенные устройства имеют спад на частоте от 1.2 до 1.4 кГц при расчетном значении 1.8 кГц. Фильтрующий элемент класса II теряет от 20% до 50% своего значения под воздействием смещения в узле отвода. Нагрев также вносит свой вклад. Спад и коэффициент сдвига изменяются вместе в одном узле.

Проблемный момент 3: Разброс в производстве нарушает отделку, имевшуюся у прототипа.

Десять блоков EVT обеспечивают точность ±0.4% в полосе пропускания. Пятьдесят блоков DVT имеют разброс значений до ±1.6%, а три блока полностью не проходят тест на частоте 10 кГц. Условие R1·C1 = R2·C2 умножает четыре значения, поэтому любой разброс R1, R2, C1 или паразитных значений увеличивает рассогласование. Детали, выбранные для центральных значений, не описывают этот разброс.

Проблема 4: Влажное тепло и дезинфекция по-разному воздействуют на эти две части тела.

После 100 часов при 85 °C и 85% относительной влажности сборка демонстрирует дрейф коэффициента +0.9% и смещение угла на −18%, что превышает общий целевой показатель срока службы за один цикл испытаний. Вода значительно сильнее влияет на поверхностную утечку верхнего плеча с сопротивлением 9 МОм, чем нижнего плеча с сопротивлением 1 МОм, и одновременно увеличивает потери и утечку фильтрующей части. Эти два дрейфа коррелируют, поэтому сумма данных из двух технических паспортов занижает их.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Смоделировать пару как один двухпортовый коммутатор.

Подставьте сопротивление Тевенина R_th = R1||R2 в уравнение фильтра на первом этапе построения схемы. Для пары 9 МОм и 1 МОм R_th = 0.9 МОм, что в 9000 раз больше, чем при предположении о жестком источнике. Передаточная функция K(f) должна быть передана одному инженеру, а не распределена между двумя рабочими столами R1, R2 и C_f. Запишите целевую равномерность, например, ±0.5% от постоянного тока до 20 кГц.

Стратегия 2: Установить преднамеренный подстроечный конденсатор.

Удовлетворите условие R1·C1 = R2·C2 с помощью фиксированной части на верхнем плече, вместо того чтобы надеяться на компенсацию паразитных колебаний. В рассматриваемом случае C1 = 12.2 пФ. Реализуйте это как фиксированную часть класса I плюс диапазон регулировки ±2 пФ и проверьте регулировку по переходной характеристике. Удерживайте перерегулирование ниже 1%, что соответствует рассогласованию ниже 4%. Часть класса II будет расстраивать сеть каждый раз при изменении контролируемого напряжения.

Стратегия 3: Согласование температурных коэффициентов на границе.

Выберите оба плеча из одного класса TCR. При использовании компонентов с температурным коэффициентом сопротивления ±50 ppm/°C на обоих плечах и фильтрующего компонента с коэффициентом ±30 ppm/°C, резистивная составляющая падает ниже 0.05% при шаге 40 °C, а конденсатор добавляет 0.12%. Для стандартных компонентов с разбросом партий ±150 ppm/°C этот показатель достигает 0.54%–1.0%. Укажите согласование TCR резистора, TCC конденсатора и дрейф смещения в виде трех отдельных строк, каждая из которых должна поддерживаться на уровне 0.15% или менее.

Стратегия 4: Поддерживайте ток делителя значительно выше токов утечки.

Рассчитывайте ток делителя таким образом, чтобы он преобладал над всеми паразитными токами на выводе. Узел 3 кВ на сопротивлении 10 МОм потребляет 300 мкА. Утечка через фильтр остается ниже 5 нА для детали класса I при номинальной нагрузке, а поверхностная утечка остается ниже 50 нА при хорошем покрытии. Если сумма паразитных токов не превышает 1% от тока делителя, то нагрузочный член перестает влиять на соотношение.

Стратегия 5: Контролируйте отклонение верхней части руки при ударе, используя схему расположения, а затем измерьте его.

Вместо последовательной цепи используйте один высоковольтный элемент на каждый тонарм, поскольку емкость между контактами в цепи суммируется без контроля. Ориентируйте корпус в сторону от заземляющих плоскостей и поддерживайте фиксированный зазор в защитном кожухе. Целевое значение C_s должно составлять 0.5 пФ или меньше для тонарма 9 МОм, что обеспечит частоту f_s 35 кГц или выше. Затем измерьте отношение в зависимости от частоты на постоянном токе, 1 кГц, 10 кГц и 50 кГц на первых трех прототипах и зафиксируйте измеренные значения на чертеже.

Стратегия 6: Сделать совместную настройку параметром, измеряемым в процессе производства.

Добавьте два внутрисхемных теста в конец схемы. Проверьте коэффициент усиления по постоянному току на 10% и 100% от входного сигнала, чтобы выявить утечки и нелинейность, и проверьте коэффициент усиления на частоте 10 кГц относительно значения по постоянному току, чтобы выявить рассогласование подстроек и случайные отклонения. Установите оба предела на ±0.5% и отследите изменения. При изменении партии компонентов изменяется и коэффициент усиления, согласованный с партией, и это можно увидеть только с помощью теста на усиление.

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. Компоненты HVC для интерфейса обнаружения

Для метода совместной настройки необходимы компоненты, которые сохраняют указанные в технических характеристиках значения при воздействии тепла, напряжения смещения, воды и времени. Компания HVC поставляет всю пассивную цепочку для входного каскада системы подключения пациента со своего собственного завода площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Температурный коэффициент сопротивления (TCR) составляет ±50 ppm/°C, при этом параметры согласованы по всем плечам. Резистивная составляющая 2.4 Ом снижается ниже 0.05% при повышении температуры в камере на 40 °C, тогда как для несогласованных компонентов этот показатель составляет от 0.3% до 0.9%.
• Однокорпусные плечи, рассчитанные на напряжение от 3 до 10 кВ. В каждом плече одна деталь обеспечивает емкость C_s 0.5 пФ или менее и поддерживает f_s выше полосы пропускания сигнала.
• TCC составляет ±30 ppm/°C без снижения напряжения смещения. N4700 Компоненты класса I поддерживают значение C_f и значение подстройки от 0 В до полного напряжения узла, поэтому и f_c, и условие подстройки остаются верными.
• Коэффициент диэлектрической проницаемости ниже 0.1%, а сопротивление изоляции выше 10⁵ МОм·мкФ. Утечка конденсатора остается в диапазоне наноампер при рабочей нагрузке, что соответствует правилу делителя тока Стратегии 4.
• Ограниченные партии. Контролируемый разброс емкостей и отслеживание температурного коэффициента сопротивления на уровне партии позволяют достичь производственного предела ±0.5% без обрезки каждой единицы.
• Компоненты скоординированной цепи. толстопленочные резисторы для оружия и быстровосстанавливающиеся диоды Для правильного положения зажима расположитесь в том же измерительном контуре.

• Детали со стороны органов чувств. HVRGXP В резисторах выборки ток в узле имеет низкую индуктивность.
• Варианты крепления. HVCT8G Детали дверной ручки крепятся болтами к шасси для размещения фильтра при более высоком напряжении.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4-8 недель, а конденсаторы, изготовленные на заказ, или партии с подобранным температурным коэффициентом сопротивления (TCR) — в течение 6-10 недель. Для медицинских заказов требуются данные о подборе TCR, кривые TCC при постоянном напряжении и результаты испытаний на воздействие влажного тепла.

Отправьте топологию, полосу пропускания сигнала, целевую точность и напряжение узла. HVC выполнит арифметические вычисления по настройке на основе этих данных и вернет номера компонентов, таблицу дрейфа соединений и т. д. Перекрестная ссылка Сопоставление деталей с продукцией Murata, Vishay и TDK, образцы предоставляются в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему значение угла фильтра оказывается ниже, чем я рассчитывал?

Поскольку фильтр взаимодействует с делителем частоты, а не с буфером. Для верхнего плеча 9 МОм и нижнего плеча 1 МОм сопротивление Тевенина на отводе составляет 0.9 МОм. При использовании конденсатора 100 пФ относительно этого значения частота составляет 1.77 кГц. Расчет с использованием источника 100 Ом дал 16 кГц, что на порядковую величину отличается от нормы.

В2: Как узнать, совпадают ли настройки делителя и фильтра?

Проведите сканирование отношения в зависимости от частоты на реальной плате при постоянном токе, 1 кГц, 10 кГц и 50 кГц. Плоский результат в пределах ±0.5% означает, что выполняется условие подстройки R1·C1 = R2·C2. Рост в сторону высоких частот указывает на паразитную емкость в верхнем плече. Падение указывает на слишком низкое положение среза фильтра.

В3: Какой номинал подстроечного конденсатора мне нужен?

Установите C1 = R2·C2_total/R1. При верхнем плече 9 МОм, нижнем плече 1 МОм, C_f = 100 пФ и паразитном токе нижнего плеча 10 пФ, это составит 12.2 пФ. Закажите компонент класса I с фиксированным сопротивлением, близким к этому значению, плюс небольшой диапазон регулировки, затем измерьте переходную характеристику и выполните настройку.

Вопрос 4: Почему фильтрующий конденсатор класса II выходит из строя из-за неисправности подстроечного резистора?

Потому что его значение зависит от напряжения в узле. Микросхема X7R теряет от 20% до 50% своей емкости под действием смещения, поэтому C_f изменяется в зависимости от измеренного напряжения, и угол перемещается вместе с ним. На верхнем плече тот же эффект приводит к колебаниям C1 и нарушению условия регулировки каждый раз, когда изменяется напряжение в узле.

В5: Какова допустимая паразитная емкость, которую может выдержать плечо плеча?

Для плеча с сопротивлением 9 МОм необходимо поддерживать емкость 0.5 пФ или ниже. При 0.5 пФ частота обхода составляет 35.4 кГц, поэтому погрешность на частоте 10 кГц остается около 0.4%. При 5 пФ частота обхода падает до 3.5 кГц, а погрешность на частоте 10 кГц достигает 1.8%, что не соответствует целевому показателю ±1%.

В6: Поможет ли в этом случае использование синфазного дросселя или более мощного фильтра?

Нет. Больший фильтрующий конденсатор снижает частотную характеристику на граничном уровне и теряет большую часть полосы пропускания сигнала, при этом он не затрагивает паразитный член верхнего плеча. Настройте оба члена отдельно: отрегулируйте условие компенсации для коэффициента и сохраните геометрию утечки для паразитного члена. Затем повторно измерьте коэффициент усиления в полосе пропускания.

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 60601-2-12, Медицинское электрооборудование — Часть 2-12: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам аппаратов искусственной вентиляции легких для интенсивной терапииЖенева: МЭК, 2020.
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. Цян-Тао Лай, Цзюнь-Фа Мао и Му-Шуй Чжан, Компенсационная схема многослойного керамического конденсатора с блокировкой постоянного тока для высокоскоростных приложений.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 1, no. 5, pp. 742-751, 2011. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2011.2116016
8. США 6,545,854, Дисковидный керамический фильтрующий конденсатор с краевым полем и неперекрывающимися электродами, обеспечивающий высокую напряженность пробоя.Патент, выданный компанией Presidio Components, Inc. в 2003 году, https://www.freepatentsonline.com/6545854.html.
9. США 10,874,865, Клеммный узел с фильтром для пропускания электромагнитных помех, содержащий смоляное покрытие поверх герметичного уплотняющего материала.AVX Corporation, патент выдан в 2020 году, https://www.freepatentsonline.com/10874865.html.
10. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com