在本文中，我想以大家熟悉的MRI（磁共振成像）醫(yī)學掃描儀設計為例，說明應如何設計電源架構，才能使其在強磁場環(huán)境下正常工作。

核磁共振室對電子設備來說是一種非?？量痰碾姶牛‥M）環(huán)境。電子設備外部可能采取屏蔽，以便將磁場強度衰減到某個程度，而使設備可正常工作而不至被破壞。如果沒有適當?shù)钠帘?，MRI掃描產(chǎn)生的磁場會損壞電子設備，甚至可能將鐵磁物體吸入MRI的孔內。

另一方面，來自電子設備的干擾可能會導致MRI成像錯誤，因此必須解決電源設計方面的問題。

直到最近，設計用于MRI環(huán)境的電源功能比較有限，這取決于它們靠近MRI設備的距離。存在的磁場通常會導致電源失效。由鐵磁材料制成的物體會被吸入MRI機器中，貼著在MRI磁體上，這不是件好事。具有帶鐵芯變壓器和電感器的電源有可能造成這種災難性情況的發(fā)生。

過去，為防止電源被吸入MRI機器中，通常會使用魔術貼將電源固定到房間的地面或其他固定樁子上。在這種情況下，會使用一條長屏蔽電纜將電源連接到需要供電的病人監(jiān)護儀。這種方法違背了MR患者監(jiān)護儀的兩個關鍵特點。首先需要控制成本，但屏蔽電纜價格昂貴。另外需要具備移動性，但病人監(jiān)護儀的可移動范圍受其所連接屏蔽電纜的限制。最好的設計是將電源附著在病人監(jiān)護設備上。由于屏蔽電纜可以大幅縮短，這可以降低相應成本?；颊弑O(jiān)護儀的移動性也增加了，因為電源沒有連接到固定樁子上。

設計最佳的電源

設計電源板需要很多資源，并且需要進行大量的測試。定制電源需要很快設計好，以便完成MRI掃描儀項目，并且可能與現(xiàn)成的電源質量不同，因為現(xiàn)成的電源已經(jīng)過多年的開發(fā)了。此外，電源還必須符合患者監(jiān)護系統(tǒng)（如IEC60601）的相關安規(guī)。因為這類電源已經(jīng)通過了監(jiān)管程序，所以它只需要符合特定項目架構的要求即可。

MRI設備及其周圍環(huán)境

MRI使用磁場和無線電波能量脈沖來創(chuàng)建身體內部器官和結構的圖像。由線圈產(chǎn)生的磁場通常在1~4T的范圍內，這是一個巨大的磁場，會對某些電氣設備產(chǎn)生嚴重的不利影響，例如電源的變壓器可能會因此飽和，而無法在這樣的環(huán)境中正常工作。出于患者在MRI掃描期間的安全性和舒適度考慮，一些設備要求電源盡可能靠近負載，這意味著供電設備在受到線圈產(chǎn)生的高磁場影響的情況下，必須仍然能夠安全地運行。

MRI使用大型磁鐵和無線電波來觀察人體內的器官和結構。當為MRI架構設計電源時，有許多具有挑戰(zhàn)性的設計要求。由于MRI機器測量的敏感性，電源的振蕩器頻率需要精確地固定在某個點上，而不能干擾MRI成像。

Powerbox的MRI電源方案

挑戰(zhàn)

Powerbox公司的設計人員要開發(fā)一種新型的無芯供電電源GB350，項目啟動后出現(xiàn)了很大的挑戰(zhàn)，這才意識到其復雜性（圖1）。由于電源設備是用于MRT（磁共振斷層掃描）系統(tǒng)，它將會受到非常強的磁場影響。這意味著，開發(fā)人員不能為上述產(chǎn)品使用帶磁芯的感性設備。

這個問題的解決方案包含一項新技術。新開發(fā)的無芯感性設備可讓電源在強磁場下也能正常運行。此外，設計人員在前面板連接器上加裝了一個80dB的屏蔽罩，可以屏蔽掉測量系統(tǒng)對MRT系統(tǒng)的干擾。

該電源具有DSP穩(wěn)壓轉換器以及內置速度控制的通風裝置。設計人員開發(fā)出一種新技術，該技術具有無磁芯感應和600kHz的四相開關功能——總共2.4MHz，可以使空芯（air-core）工作，以及一個數(shù)字處理器，可管理從開關參數(shù)到輸出電壓表征的一切。2.4MHz開關頻率可以與MRI或其他設備中的外部時鐘同步。該頻率減小了空芯電感器的尺寸，并將開關電源的開關頻率保持在MRI設備的敏感范圍之外，從而確保MRI設備中測量信號的準確處理，這是獲得高質量圖像的關鍵。

該電源的輸入電壓為+13VDC，輸出電壓如下：

+6.90VDC/60A +3.45VDC/50A +1.65VDC/50A

作為同類產(chǎn)品中的第一款結構單元，該電源的架構是一個降壓轉換器模塊，能夠暴露在MRI掃描儀的高輻射磁場中而安全地工作。該電源具有350W的輸出功率，當需要更高的功率時，可以采用交錯式并聯(lián)，從而降低EMI?，F(xiàn)代MRI系統(tǒng)通常會產(chǎn)生1~4T的磁場，而使采用鐵氧體材料的常規(guī)電源無法工作，因為MRI磁體會干擾能量傳輸而導致電感飽和。

為了防止寄生飽和，電源一般放置在屏蔽手術室的外面。遠程安裝電源需要較長的電纜，而且會產(chǎn)生能量損耗；對于在快速瞬變負載條件下需要嚴格穩(wěn)壓供電的新一代測量設備來說，這也是一項巨大的挑戰(zhàn)。

該解決方案采用670W無芯設計，采用從電感向電感傳遞能量的原理。為了確保最佳性能，設計人員采用了DSP控制，以及具有并聯(lián)和交錯的高級電源拓撲結構，從而簡化了功率調整，降低了EMI。為了保護整個電源免受電磁泄漏的干擾，電源還采用了80dB的屏蔽層進行屏蔽保護。

在英國《Electronic Weekly（電子周刊）》雜志主辦的2017年Elektra Awards頒獎大會上，Powerbox的這一設計榮獲年度最佳電源系統(tǒng)產(chǎn)品獎（圖2）。該獎項主要頒發(fā)給能夠在技術能力和實用性方面展示出優(yōu)于同類產(chǎn)品的電源產(chǎn)品。評選標準包括產(chǎn)品性能、設計應用，以及新的拓撲和架構、使用材料、高級半導體技術和封裝等。

GB350是一款非常聰明和絕妙的解決方案，解決了一個長期以來從未解決的問題——它是款真正的第一。

MRI環(huán)境的分立電源設計

一些設計師努力去做自己的定制設計。有許多應用要求開關電源解決方案完全不受強磁場的影響——即使是精心屏蔽的鐵氧體磁芯變壓器也會因為強磁場而飽和。他們可能會使用開關電容電壓轉換技術。然而，在自制設計中，MRI設備發(fā)出的RF場也需要予以考慮。設計人員需要了解他們的設計應該如何進行RF屏蔽（見參考文獻《Power Supply for MRI Environment（面向MRI環(huán)境的電源）》）。

通常情況下，空芯變壓器效率不高（20~30%），但可以完成這項工作。設計師需要問的問題是：我能夠在市場上買到的空芯電感器效率如何？這可以滿足我的設計要求嗎？

此外，市場上容易獲得的無芯電感器有多大？好像Farnell公司出售的型號最多只有0.5μH。

屏蔽材料

設計人員可能希望使用屏蔽材料來隔離高強度磁場。相對磁導率對于所有頻率不會保持不變。不同的屏蔽材料具有不同的相對磁導率，因此其有效屏蔽的特定頻率范圍也不同。表1列出了一些屏蔽材料在150kHz下的電氣屬性。

要注意不應使鐵磁材料飽和，不然就會失去衰減磁場的能力。上述參考文獻中的解決方案建議創(chuàng)建一個雙層屏蔽層，其中外層具有較低的相對磁導率和較低的飽和磁化率，這將使得內屏蔽層可以很好地屏蔽磁場。

德州儀器針對MRI電源的分立方案

德州儀器（TI）在其網(wǎng)站上對同步問題也有很好的評論，見《Create a power supply for an MRI application（為MRI應用設計電源）》一文。電源的開關頻率必須與2.488MHz時鐘同步，因為MRI在掃描時會輻射出一個高強度磁場，一般在1~4T的范圍內。由于電源中使用的傳統(tǒng)磁芯材料會在這種強度的磁場下飽和，因此必須使用空芯電感來替換磁芯。然而，對于沒有鐵氧體磁芯材料的電感器，空芯方法只能提供非常低的電感值。

德州儀器為MRI電源方案推薦LM5140-Q1，這是一款達到汽車級要求的雙通道同步降壓控制器。這款IC能成為MRI應用理想之選的一個特性就是，它能夠與高達2.6MHz的外部時鐘實現(xiàn)同步。這個頻率上可以使用較小的空芯電感器，并且保持開關電源的開關頻率處于MRI設備的敏感范圍之外。這樣就能夠精確處理MRI中的測量信號而獲得高質量圖像。

MRI電感器設計步驟

MRI電源所需的電感與開關頻率成正比，如公式1所示：

其中：L是μH級的電感，VOUT是輸出電壓，ΔI是電感紋波電流，F(xiàn)SW是開關頻率，D是占空比。

一旦計算出了所需的電感值，就可以使用公式2來確定空芯電感器的大?。?/p>

其中：L是μH級的電感，d是以in為單位的線圈直徑，I是以in為單位的線圈長度，n是匝數(shù)。

對照公式1和公式2，可以看到較高的開關頻率會導致較低的電感值。較低的電感值所需的空芯電感尺寸就比較小。

解決方案是用氮化鎵（GaN）FET替換MOSFET。GaN FET的效率要比MOSFET高很多——因為其具有幾乎為零的反向恢復時間、較低的RDS(ON)和較低的柵極電荷（(QG），所以可以將損耗降低至可控的水平。GaN FET具有關鍵的柵極驅動要求，因此LM5113 GaN FET驅動器也是必需的。

AVX公司提供空芯電感器樣品，Coilcraft公司有Air Core Springs和設計者工具。

在大電流下需要負電壓輸出

MRI應用中更具挑戰(zhàn)性的設計要求之一是在大輸出電流下需要負輸出電壓。這是需要克服的另一個挑戰(zhàn)。表2顯示了MRI反相升降壓電源在電流為15.84A、電壓為48V至-15V（和48V至-8V）時的電源要求。這種反相升降壓拓撲的傳遞函數(shù)（公式3）要求LM5140-Q1能夠承受VIN+VOUT，即50VMAX+15V=65V的電壓。

LM5140-Q1能夠在輸入電壓為65V（絕對最大值為70V）的情況下工作，克服了過電壓應力的危險。

實際上，在具體的系統(tǒng)中到底采用哪種類型的架構方案還是由設計人員決定。我希望本文能夠提供一些幫助，讓您為自己的設計項目做出正確的選擇。