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Basso isolamento EMI per applicazioni in apparecchiature mediche

Interferenze elettromagnetiche (EMI) in ambito medico

L'interferenza elettromagnetica (EMI) è definita come qualsiasi disturbo elettromagnetico che interrompe, ostruisce o altrimenti degrada o limita le prestazioni effettive delle apparecchiature elettroniche. Sfortunatamente, le sorgenti di EMI sono numerose e danno origine a una combinazione apparentemente infinita di caratteristiche di disturbo. Per questo motivo, l'industria classifica i diversi tipi di EMI in base alle loro caratteristiche, come riassunto nella Tabella 1.

Table 1. Subset EMI Categories

Gli ambienti medicali sono elettricamente rumorosi; le interferenze RF (RFI) generate dai dispositivi di comunicazione e dalle apparecchiature locali possono produrre campi RF pari o superiori a 50 V/m. Inoltre, alcuni tipi di apparecchiature medicali utilizzano energia RF per diagnosi o trattamento (ad esempio, sistemi di risonanza magnetica) o per comunicazioni wireless (ad esempio, sistemi di telemetria medica). Date queste numerose e potenti fonti, la gestione delle interferenze elettromagnetiche (EMI) negli ambienti medicali può essere complessa.

Impatto EMI nelle applicazioni mediche

Le EMI possono causare malfunzionamenti dei dispositivi medici con risultati potenzialmente catastrofici. Ad esempio, segnali erratici indotti dalle EMI possono causare malfunzionamenti dei sistemi di supporto vitale portatili, alterare le misurazioni nelle apparecchiature di monitoraggio dei pazienti e modificare i livelli di dosaggio dei farmaci per via endovenosa. Le EMI sono particolarmente problematiche nei sistemi medici che acquisiscono segnali a bassa ampiezza, come gli elettrocardiografi (ECG), dove i segnali raccolti dai pazienti possono variare da 400 μV a 5 mVpk con frequenze di taglio di 3 dB a 0,05 e 100 Hz. In futuro, la tendenza verso sistemi medici ad alta frequenza e bassa potenza complicherà la gestione delle EMI emettendo rumore RF a banda più ampia a livelli di energia più elevati.

Dal punto di vista progettuale, gli effetti delle EMI possono essere ridotti al minimo progettando circuiti di sistema con elevata immunità alle EMI e basse emissioni. Le pratiche tradizionali includono un layout e una messa a terra adeguati dei circuiti stampati (PCB) e lunghezze delle piste limitate. I componenti elettronici devono essere posizionati in modo ottimale su un PCB e la progettazione dell'involucro del sistema, la schermatura dei cavi e il filtraggio devono essere adeguati. Ovviamente, nei percorsi di segnale critici è necessario utilizzare componenti semiconduttori resistenti alle interferenze elettromagnetiche (ovvero a bassa emissione e ad alta immunità). Ciò è particolarmente vero per i problemi di interferenze elettromagnetiche che si verificano all'interno del sistema stesso, come nelle applicazioni di trasmissione dati a segnale misto o wireless.

Isolamento nei sistemi medicali

Per garantire che i sistemi elettronici medicali siano immuni ai disturbi provenienti da campi localizzati e da altri fenomeni, gli isolatori vengono testati per la sicurezza secondo diversi standard IEC-61000, utilizzando i limiti di prova specificati dalla norma IEC 60601-1-2, come mostrato nella Tabella 2. Ad esempio, le scariche elettrostatiche (ESD) sono testate secondo la norma IEC 61000-4-2 e utilizzano i limiti di prova specificati dalla norma IEC 60101-1-2. Le emissioni RF e le perturbazioni delle linee elettriche vengono testate utilizzando i metodi della metodologia di test CISPR11, un sottoinsieme della specifica automobilistica J1750. (Il CISPR non specifica i limiti di prova: è solo uno standard di metodologia di prova. I limiti per le emissioni e la sensibilità delle linee elettriche sono specificati nella norma IEC 60601-1-2). I criteri per il superamento di questi test sono molto rigorosi. Il sistema non deve presentare guasti ai componenti, modifiche parametriche, errori di configurazione o falsi positivi. Oltre all'immunità ai campi esterni, il sistema in prova non può generare emissioni irradiate o condotte significative.

Table 2. IEC 60601-1-2 Immunity Requirements

Le specifiche pubblicate da diverse agenzie stabiliscono limiti per le EMI condotte e irradiate. Una delle specifiche più comuni è la FCC Parte 15, che riguarda i circuiti utilizzati all'interno o in prossimità di abitazioni. I test secondo questa specifica vengono condotti in un ambiente all'aperto utilizzando un'antenna da 10 metri posizionata a circa 5 metri sopra il piano di terra. Un'altra specifica, la SAEJ1752-3, è più incentrata sui circuiti integrati nella sua metodologia di test e raccomanda di montare il circuito integrato da testare su una piccola scheda a circuito schermato (ovvero una "cella TEM", secondo la metodologia di test CISPR11) progettata per misurare solo le emissioni irradiate dall'isolatore stesso durante il funzionamento nell'ambiente applicativo effettivo.

Isolatori in silicio rinforzati EMI

Molti sistemi medicali incorporano l'isolamento galvanico per proteggere pazienti e apparecchiature da tensioni pericolose, per livellare i segnali tra i domini di tensione di terra e/o per mitigare il rumore di terra in aree di circuito altamente sensibili. I sistemi elettronici medicali utilizzano spesso trasformatori e/o optoaccoppiatori per l'isolamento del segnale, nessuno dei quali è ottimale. I trasformatori generano EMI e sono altamente suscettibili alla corruzione del segnale da parte di campi magnetici esterni. Gli optoaccoppiatori offrono i vantaggi di basse emissioni EMI e di elevata immunità, ma soffrono di scarsa affidabilità e bassa immunità ai transitori di modo comune (CMTI), quest'ultima delle quali può influire negativamente sull'integrità della trasmissione dati dell'isolatore. In alternativa a trasformatori e optoaccoppiatori, gli isolatori in silicio sfruttano tecnologie di processo avanzate per migliorare notevolmente le caratteristiche EMI e generare significativi guadagni in termini di prestazioni e affidabilità. Questi isolatori realizzano dispositivi isolanti direttamente sul die del semiconduttore utilizzando ossidi di processo o altri materiali di processo nativi, come mostrato nella Figura 1. I fornitori di isolatori in silicio di maggior successo implementano l'isolante (noto anche come barriera di isolamento) utilizzando trasformatori o condensatori.

Figure 1. Silicon Isolator Block Diagram

Figure 2. Transformer-Based Silicon Isolator and Radiated EMI

L'isolatore al silicio della Figura 2A funziona codificando lo stato logico di ogni fronte digitale in ingresso, trasmettendo questi dati attraverso il trasformatore di isolamento T1, quindi decodificandoli e memorizzandoli in un latch di uscita. La Figura 2B mostra la risposta EMI irradiata da questo dispositivo, misurata utilizzando gli standard della metodologia di test CISPR descritti nella sezione Isolamento nei sistemi medicali a pagina 2. La misurazione mostrata è stata effettuata con tutti gli ingressi dell'isolatore impostati su bassi e ruotati di 90 gradi. Si noti che il dispositivo genera picchi di risonanza EMI fino a +20 dB tra 100 e 300 MHz. Sebbene la causa esatta di questi picchi di risonanza sia sconosciuta, si presume che siano almeno in parte causati dalle dimensioni strutturali, dall'induttanza e dal Q di T1.

Figure 3. Capacitor-Based Silicon Isolator and Radiated EMI

L'isolatore al silicio in Figura 3A funziona trasmettendo un'onda portante attraverso la barriera di isolamento capacitivo differenziale quando l'ingresso dell'isolatore è logico alto. Il ricevitore imposta lo stato logico alto sull'uscita quando viene rilevata un'energia portante sufficiente. A differenza del design del trasformatore, non vi è alcun picco risonante dipendente dal fattore Q nel percorso di isolamento capacitivo per amplificare selettivamente le frequenze EMI in ingresso. La Figura 3B mostra la risposta EMI irradiata da questo dispositivo, misurata utilizzando esattamente la stessa metodologia utilizzata nel test dell'isolatore basato su trasformatore. Questo dispositivo presenta una risposta EMI irradiata piatta e di ampiezza inferiore rispetto all'implementazione con trasformatore. Di conseguenza, questo dispositivo ha superato la Classe B Parte 15 della FCC in un test che utilizza isolatori capacitivi differenziali a 6 canali con tutti gli ingressi collegati ad alto per massimizzare le emissioni interne del trasmettitore.

La Figura 4 mostra un confronto dell'immunità al campo elettrico tra gli isolatori al silicio basati su trasformatore e condensatore, in cui la tensione di uscita dell'isolatore viene monitorata mentre la frequenza del campo RF esterno viene spostata da CC a 10 GHz. Sia il trasformatore che gli isolatori capacitivi hanno ingressi collegati a terra per mantenere costantemente basse le loro uscite. L'uscita dell'isolatore capacitivo al silicio (traccia verde) rimane bassa nell'intervallo di frequenza da CC a 10 GHz, mentre l'uscita dell'isolatore basato sul trasformatore è alta (corrotta) tra 1 e 2 GHz. L'isolatore capacitivo dimostra un'elevata immunità alle interferenze elettromagnetiche (EMI) perché i campi di modo comune locali vengono respinti da una combinazione del percorso di isolamento capacitivo differenziale e dell'elevata selettività del ricevitore. In altre parole, i livelli del segnale su ciascun lato del percorso del segnale differenziale interno fanno sì che il ricevitore amplifichi solo la tensione di ingresso differenziale entro una banda di frequenza molto stretta, ma respinga tutti gli altri ingressi.

Figure 4. Electric Field Immunity Comparison

Figure 5. Silicon Isolator Magnetic Field Immunity Comparison

La Figura 5 mostra l'immunità ai campi magnetici degli isolatori al silicio basati su trasformatore e condensatore. Per soddisfare i requisiti della norma IEC61000-4-9, l'isolatore deve funzionare normalmente mentre è soggetto alla curva densità di flusso in funzione della frequenza indicata dalla linea viola in fondo al grafico. Valori pari o superiori alla linea viola sono accettabili, mentre valori inferiori indicano guasti. Il punto posizionato a metà dell'asse Y rappresenta la specifica equivalente a punto singolo (61000-4-8). Si noti che entrambi gli isolatori al silicio soddisfano i criteri di entrambe le specifiche, ma l'isolatore capacitivo dimostra un grado di immunità ai campi magnetici molto più elevato rispetto all'isolatore basato su trasformatore.

Riepilogo

Le interferenze elettromagnetiche (EMI) possono compromettere le prestazioni effettive delle apparecchiature elettroniche. Le interferenze elettromagnetiche (EMI) possono causare malfunzionamenti dei dispositivi medici con conseguenze potenzialmente catastrofiche, tra cui traumi o morte del paziente. L'isolamento galvanico è richiesto in molti sistemi medicali ed è importante che questo isolamento abbia un'immunità EMI molto elevata e non crei emissioni EMI proprie. Di conseguenza, gli isolatori sono testati per la sicurezza secondo diversi standard IEC-61000 per garantire la sicurezza del dispositivo, basse emissioni EMI ed elevata immunità. Gli isolatori al silicio offrono numerosi vantaggi in termini di prestazioni rispetto a optoaccoppiatori e trasformatori e in genere implementano la barriera di isolamento utilizzando trasformatori o condensatori di dimensioni ridotte. Gli isolatori al silicio basati su trasformatori presentano tipicamente una minore immunità EMI ed emissioni più elevate rispetto agli isolatori al silicio basati su condensatori. Pertanto, gli isolatori capacitivi in ​​silicio sono ideali per applicazioni con protezione EMI come l'elettronica medicale.

Riferimenti:

UL 1577
IEC 60601-1, "Requisiti generali per la sicurezza di base e le prestazioni essenziali", Commissione Elettrotecnica Internazionale.
IEC 60601-1-2, "Norma internazionale per le apparecchiature medicali", Commissione Elettrotecnica Internazionale.

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