強(qiáng)磁場環(huán)境下的無芯直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案
2018-7-6 11:34:00??????點(diǎn)擊：
核磁共振室對電子設(shè)備來說是一種非?？量痰碾姶牛‥M）環(huán)境。電子設(shè)備外部可能采取屏蔽，以便將磁場強(qiáng)度衰減到某個(gè)程度，而使設(shè)備可正常工作而不至被破壞。如果沒有適當(dāng)?shù)钠帘?，MRI掃描產(chǎn)生的磁場會(huì)損壞電子設(shè)備，甚至可能將鐵磁物體吸入MRI的孔內(nèi)。
另一方面，來自電子設(shè)備的干擾可能會(huì)導(dǎo)致MRI成像錯(cuò)誤，因此必須解決直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方面的問題。
直到最近，設(shè)計(jì)用于MRI環(huán)境的直流穩(wěn)壓電源功能比較有限，這取決于它們靠近MRI設(shè)備的距離。存在的磁場通常會(huì)導(dǎo)致直流穩(wěn)壓電源失效。由鐵磁材料制成的物體會(huì)被吸入MRI機(jī)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直流穩(wěn)壓電源有可能造成這種災(zāi)難性情況的發(fā)生。
過去，為防止直流穩(wěn)壓電源被吸入MRI機(jī)器中，通常會(huì)使用魔術(shù)貼將直流穩(wěn)壓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(huì)使用一條長屏蔽電纜將直流穩(wěn)壓電源連接到需要供電的病人監(jiān)護(hù)儀。這種方法違背了MR患者監(jiān)護(hù)儀的兩個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)。首先需要控制成本，但屏蔽電纜價(jià)格昂貴。另外需要具備移動(dòng)性，但病人監(jiān)護(hù)儀的可移動(dòng)范圍受其所連接屏蔽電纜的限制。最好的設(shè)計(jì)是將直流穩(wěn)壓電源附著在病人監(jiān)護(hù)設(shè)備上。由于屏蔽電纜可以大幅縮短，這可以降低相應(yīng)成本。患者監(jiān)護(hù)儀的移動(dòng)性也增加了，因?yàn)橹绷鞣€(wěn)壓電源沒有連接到固定樁子上。
設(shè)計(jì)最佳的直流穩(wěn)壓電源
設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源板需要很多資源，并且需要進(jìn)行大量的測試。定制直流穩(wěn)壓電源需要很快設(shè)計(jì)好，以便完成MRI掃描儀項(xiàng)目，并且可能與現(xiàn)成的直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量不同，因?yàn)楝F(xiàn)成的直流穩(wěn)壓電源已經(jīng)過多年的開發(fā)了。此外，直流穩(wěn)壓電源還必須符合患者監(jiān)護(hù)系統(tǒng)（如IEC60601）的相關(guān)安規(guī)。因?yàn)檫@類直流穩(wěn)壓電源已經(jīng)通過了監(jiān)管程序，所以它只需要符合特定項(xiàng)目架構(gòu)的要求即可。
MRI設(shè)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(nèi)部器官和結(jié)構(gòu)的圖像。由線圈產(chǎn)生的磁場通常在1~4T的范圍內(nèi)，這是一個(gè)巨大的磁場，會(huì)對某些電氣設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響，例如直流穩(wěn)壓電源的變壓器可能會(huì)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(shè)備要求直流穩(wěn)壓電源盡可能靠近負(fù)載，這意味著供電設(shè)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(yùn)行。
MRI使用大型磁鐵和無線電波來觀察人體內(nèi)的器官和結(jié)構(gòu)。當(dāng)為MRI架構(gòu)設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源時(shí)，有許多具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)要求。由于MRI機(jī)器測量的敏感性，直流穩(wěn)壓電源的振蕩器頻率需要精確地固定在某個(gè)點(diǎn)上，而不能干擾MRI成像。
Powerbox的MRI直流穩(wěn)壓電源方案
挑戰(zhàn)
Powerbox公司的設(shè)計(jì)人員要開發(fā)一種新型的無芯供電直流穩(wěn)壓電源GB350，項(xiàng)目啟動(dòng)后出現(xiàn)了很大的挑戰(zhàn)，這才意識(shí)到其復(fù)雜性（圖1）。由于直流穩(wěn)壓電源設(shè)備是用于MRT（磁共振斷層掃描）系統(tǒng)，它將會(huì)受到非常強(qiáng)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(shè)備。
這個(gè)問題的解決方案包含一項(xiàng)新技術(shù)。新開發(fā)的無芯感性設(shè)備可讓直流穩(wěn)壓電源在強(qiáng)磁場下也能正常運(yùn)行。此外，設(shè)計(jì)人員在前面板連接器上加裝了一個(gè)80dB的屏蔽罩，可以屏蔽掉測量系統(tǒng)對MRT系統(tǒng)的干擾。
圖1：GB350直流穩(wěn)壓電源。
該直流穩(wěn)壓電源具有DSP穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器以及內(nèi)置速度控制的通風(fēng)裝置。設(shè)計(jì)人員開發(fā)出一種新技術(shù)，該技術(shù)具有無磁芯感應(yīng)和600kHz的四相開關(guān)功能——總共2.4MHz，可以使空芯（air-core）工作，以及一個(gè)數(shù)字處理器，可管理從開關(guān)參數(shù)到輸出電壓表征的一切。2.4MHz開關(guān)頻率可以與MRI或其他設(shè)備中的外部時(shí)鐘同步。該頻率減小了空芯電感器的尺寸，并將開關(guān)直流穩(wěn)壓電源的開關(guān)頻率保持在MRI設(shè)備的敏感范圍之外，從而確保MRI設(shè)備中測量信號(hào)的準(zhǔn)確處理，這是獲得高質(zhì)量圖像的關(guān)鍵。
該直流穩(wěn)壓電源的輸入電壓為+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(jié)構(gòu)單元，該直流穩(wěn)壓電源的架構(gòu)是一個(gè)降壓轉(zhuǎn)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。該直流穩(wěn)壓電源具有350W的輸出功率，當(dāng)需要更高的功率時(shí)，可以采用交錯(cuò)式并聯(lián)，從而降低EMI?，F(xiàn)代MRI系統(tǒng)通常會(huì)產(chǎn)生1~4T的磁場，而使采用鐵氧體材料的常規(guī)直流穩(wěn)壓電源無法工作，因?yàn)镸RI磁體會(huì)干擾能量傳輸而導(dǎo)致電感飽和。
為了防止寄生飽和，直流穩(wěn)壓電源一般放置在屏蔽手術(shù)室的外面。遠(yuǎn)程安裝直流穩(wěn)壓電源需要較長的電纜，而且會(huì)產(chǎn)生能量損耗；對于在快速瞬變負(fù)載條件下需要嚴(yán)格穩(wěn)壓供電的新一代測量設(shè)備來說，這也是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。
該解決方案采用670W無芯設(shè)計(jì)，采用從電感向電感傳遞能量的原理。為了確保最佳性能，設(shè)計(jì)人員采用了DSP控制，以及具有并聯(lián)和交錯(cuò)的高級(jí)直流穩(wěn)壓電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而簡化了功率調(diào)整，降低了EMI。為了保護(hù)整個(gè)直流穩(wěn)壓電源免受電磁泄漏的干擾，直流穩(wěn)壓電源還采用了80dB的屏蔽層進(jìn)行屏蔽保護(hù)。
在英國《Electronic Weekly（電子周刊）》雜志主辦的2017年Elektra Awards頒獎(jiǎng)大會(huì)上，Powerbox的這一設(shè)計(jì)榮獲年度最佳直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)產(chǎn)品獎(jiǎng)（圖2）。該獎(jiǎng)項(xiàng)主要頒發(fā)給能夠在技術(shù)能力和實(shí)用性方面展示出優(yōu)于同類產(chǎn)品的直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)品。評(píng)選標(biāo)準(zhǔn)包括產(chǎn)品性能、設(shè)計(jì)應(yīng)用，以及新的拓?fù)浜图軜?gòu)、使用材料、高級(jí)半導(dǎo)體技術(shù)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(gè)長期以來從未解決的問題——它是款真正的第一。
MRI環(huán)境的分立直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)
一些設(shè)計(jì)師努力去做自己的定制設(shè)計(jì)。有許多應(yīng)用要求開關(guān)直流穩(wěn)壓電源解決方案完全不受強(qiáng)磁場的影響——即使是精心屏蔽的鐵氧體磁芯變壓器也會(huì)因?yàn)閺?qiáng)磁場而飽和。他們可能會(huì)使用開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)。然而，在自制設(shè)計(jì)中，MRI設(shè)備發(fā)出的RF場也需要予以考慮。設(shè)計(jì)人員需要了解他們的設(shè)計(jì)應(yīng)該如何進(jìn)行RF屏蔽（見參考文獻(xiàn)《Power Supply for MRI Environment（面向MRI環(huán)境的直流穩(wěn)壓電源）》）。
通常情況下，空芯變壓器效率不高（20~30%），但可以完成這項(xiàng)工作。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(hào)最多只有0.5μH。
屏蔽材料
設(shè)計(jì)人員可能希望使用屏蔽材料來隔離高強(qiáng)度磁場。相對磁導(dǎo)率對于所有頻率不會(huì)保持不變。不同的屏蔽材料具有不同的相對磁導(dǎo)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。
表1：150kHz時(shí)屏蔽材料的特性。（Hemming，1992）
要注意不應(yīng)使鐵磁材料飽和，不然就會(huì)失去衰減磁場的能力。上述參考文獻(xiàn)中的解決方案建議創(chuàng)建一個(gè)雙層屏蔽層，其中外層具有較低的相對磁導(dǎo)率和較低的飽和磁化率，這將使得內(nèi)屏蔽層可以很好地屏蔽磁場。
MRI電感器設(shè)計(jì)步驟
MRI直流穩(wěn)壓電源所需的電感與開關(guān)頻率成正比，如公式1所示：
其中：L是μH級(jí)的電感，VOUT是輸出電壓，ΔI是電感紋波電流，F(xiàn)SW是開關(guān)頻率，D是占空比。
一旦計(jì)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?。?br />
其中：L是μH級(jí)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(guān)頻率會(huì)導(dǎo)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。
表2列出了MRI設(shè)備的典型直流穩(wěn)壓電源要求。其最高的直流穩(wěn)壓電源軌是20.5A/12V，（標(biāo)稱）輸入電壓為48V。MOSFET RDS(ON)和開關(guān)損耗（在2.488MHz工作時(shí)是主要的MOSFET損耗）兩者相結(jié)合，使得熱管理極具挑戰(zhàn)性。
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?yàn)槠渚哂袔缀鯙榱愕姆聪蚧謴?fù)時(shí)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(guān)鍵的柵極驅(qū)動(dòng)要求，因此LM5113 GaN FET驅(qū)動(dòng)器也是必需的。
表2：MRI直流穩(wěn)壓電源軌。（圖片由TI提供）
AVX公司提供空芯電感器樣品，Coilcraft公司有Air Core Springs和設(shè)計(jì)者工具。
在大電流下需要負(fù)電壓輸出
MRI應(yīng)用中更具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)要求之一是在大輸出電流下需要負(fù)輸出電壓。這是需要克服的另一個(gè)挑戰(zhàn)。表2顯示了MRI反相升降壓直流穩(wěn)壓電源在電流為15.84A、電壓為48V至-15V（和48V至-8V）時(shí)的直流穩(wěn)壓電源要求。這種反相升降壓拓?fù)涞膫鬟f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(yīng)力的危險(xiǎn)。
實(shí)際上，在具體的系統(tǒng)中到底采用哪種類型的架構(gòu)方案還是由設(shè)計(jì)人員決定。我希望本文能夠提供一些幫助，讓您為自己的設(shè)計(jì)項(xiàng)目做出正確的選擇。
另一方面，來自電子設(shè)備的干擾可能會(huì)導(dǎo)致MRI成像錯(cuò)誤，因此必須解決直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方面的問題。
直到最近，設(shè)計(jì)用于MRI環(huán)境的直流穩(wěn)壓電源功能比較有限，這取決于它們靠近MRI設(shè)備的距離。存在的磁場通常會(huì)導(dǎo)致直流穩(wěn)壓電源失效。由鐵磁材料制成的物體會(huì)被吸入MRI機(jī)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直流穩(wěn)壓電源有可能造成這種災(zāi)難性情況的發(fā)生。
過去，為防止直流穩(wěn)壓電源被吸入MRI機(jī)器中，通常會(huì)使用魔術(shù)貼將直流穩(wěn)壓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(huì)使用一條長屏蔽電纜將直流穩(wěn)壓電源連接到需要供電的病人監(jiān)護(hù)儀。這種方法違背了MR患者監(jiān)護(hù)儀的兩個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)。首先需要控制成本，但屏蔽電纜價(jià)格昂貴。另外需要具備移動(dòng)性，但病人監(jiān)護(hù)儀的可移動(dòng)范圍受其所連接屏蔽電纜的限制。最好的設(shè)計(jì)是將直流穩(wěn)壓電源附著在病人監(jiān)護(hù)設(shè)備上。由于屏蔽電纜可以大幅縮短，這可以降低相應(yīng)成本。患者監(jiān)護(hù)儀的移動(dòng)性也增加了，因?yàn)橹绷鞣€(wěn)壓電源沒有連接到固定樁子上。
設(shè)計(jì)最佳的直流穩(wěn)壓電源
設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源板需要很多資源，并且需要進(jìn)行大量的測試。定制直流穩(wěn)壓電源需要很快設(shè)計(jì)好，以便完成MRI掃描儀項(xiàng)目，并且可能與現(xiàn)成的直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量不同，因?yàn)楝F(xiàn)成的直流穩(wěn)壓電源已經(jīng)過多年的開發(fā)了。此外，直流穩(wěn)壓電源還必須符合患者監(jiān)護(hù)系統(tǒng)（如IEC60601）的相關(guān)安規(guī)。因?yàn)檫@類直流穩(wěn)壓電源已經(jīng)通過了監(jiān)管程序，所以它只需要符合特定項(xiàng)目架構(gòu)的要求即可。
MRI設(shè)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(nèi)部器官和結(jié)構(gòu)的圖像。由線圈產(chǎn)生的磁場通常在1~4T的范圍內(nèi)，這是一個(gè)巨大的磁場，會(huì)對某些電氣設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響，例如直流穩(wěn)壓電源的變壓器可能會(huì)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(shè)備要求直流穩(wěn)壓電源盡可能靠近負(fù)載，這意味著供電設(shè)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(yùn)行。
MRI使用大型磁鐵和無線電波來觀察人體內(nèi)的器官和結(jié)構(gòu)。當(dāng)為MRI架構(gòu)設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源時(shí)，有許多具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)要求。由于MRI機(jī)器測量的敏感性，直流穩(wěn)壓電源的振蕩器頻率需要精確地固定在某個(gè)點(diǎn)上，而不能干擾MRI成像。
Powerbox的MRI直流穩(wěn)壓電源方案
挑戰(zhàn)
Powerbox公司的設(shè)計(jì)人員要開發(fā)一種新型的無芯供電直流穩(wěn)壓電源GB350，項(xiàng)目啟動(dòng)后出現(xiàn)了很大的挑戰(zhàn)，這才意識(shí)到其復(fù)雜性（圖1）。由于直流穩(wěn)壓電源設(shè)備是用于MRT（磁共振斷層掃描）系統(tǒng)，它將會(huì)受到非常強(qiáng)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(shè)備。
這個(gè)問題的解決方案包含一項(xiàng)新技術(shù)。新開發(fā)的無芯感性設(shè)備可讓直流穩(wěn)壓電源在強(qiáng)磁場下也能正常運(yùn)行。此外，設(shè)計(jì)人員在前面板連接器上加裝了一個(gè)80dB的屏蔽罩，可以屏蔽掉測量系統(tǒng)對MRT系統(tǒng)的干擾。
圖1：GB350直流穩(wěn)壓電源。
該直流穩(wěn)壓電源具有DSP穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器以及內(nèi)置速度控制的通風(fēng)裝置。設(shè)計(jì)人員開發(fā)出一種新技術(shù)，該技術(shù)具有無磁芯感應(yīng)和600kHz的四相開關(guān)功能——總共2.4MHz，可以使空芯（air-core）工作，以及一個(gè)數(shù)字處理器，可管理從開關(guān)參數(shù)到輸出電壓表征的一切。2.4MHz開關(guān)頻率可以與MRI或其他設(shè)備中的外部時(shí)鐘同步。該頻率減小了空芯電感器的尺寸，并將開關(guān)直流穩(wěn)壓電源的開關(guān)頻率保持在MRI設(shè)備的敏感范圍之外，從而確保MRI設(shè)備中測量信號(hào)的準(zhǔn)確處理，這是獲得高質(zhì)量圖像的關(guān)鍵。
該直流穩(wěn)壓電源的輸入電壓為+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(jié)構(gòu)單元，該直流穩(wěn)壓電源的架構(gòu)是一個(gè)降壓轉(zhuǎn)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。該直流穩(wěn)壓電源具有350W的輸出功率，當(dāng)需要更高的功率時(shí)，可以采用交錯(cuò)式并聯(lián)，從而降低EMI?，F(xiàn)代MRI系統(tǒng)通常會(huì)產(chǎn)生1~4T的磁場，而使采用鐵氧體材料的常規(guī)直流穩(wěn)壓電源無法工作，因?yàn)镸RI磁體會(huì)干擾能量傳輸而導(dǎo)致電感飽和。
為了防止寄生飽和，直流穩(wěn)壓電源一般放置在屏蔽手術(shù)室的外面。遠(yuǎn)程安裝直流穩(wěn)壓電源需要較長的電纜，而且會(huì)產(chǎn)生能量損耗；對于在快速瞬變負(fù)載條件下需要嚴(yán)格穩(wěn)壓供電的新一代測量設(shè)備來說，這也是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。
該解決方案采用670W無芯設(shè)計(jì)，采用從電感向電感傳遞能量的原理。為了確保最佳性能，設(shè)計(jì)人員采用了DSP控制，以及具有并聯(lián)和交錯(cuò)的高級(jí)直流穩(wěn)壓電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而簡化了功率調(diào)整，降低了EMI。為了保護(hù)整個(gè)直流穩(wěn)壓電源免受電磁泄漏的干擾，直流穩(wěn)壓電源還采用了80dB的屏蔽層進(jìn)行屏蔽保護(hù)。
在英國《Electronic Weekly（電子周刊）》雜志主辦的2017年Elektra Awards頒獎(jiǎng)大會(huì)上，Powerbox的這一設(shè)計(jì)榮獲年度最佳直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)產(chǎn)品獎(jiǎng)（圖2）。該獎(jiǎng)項(xiàng)主要頒發(fā)給能夠在技術(shù)能力和實(shí)用性方面展示出優(yōu)于同類產(chǎn)品的直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)品。評(píng)選標(biāo)準(zhǔn)包括產(chǎn)品性能、設(shè)計(jì)應(yīng)用，以及新的拓?fù)浜图軜?gòu)、使用材料、高級(jí)半導(dǎo)體技術(shù)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(gè)長期以來從未解決的問題——它是款真正的第一。
MRI環(huán)境的分立直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)
一些設(shè)計(jì)師努力去做自己的定制設(shè)計(jì)。有許多應(yīng)用要求開關(guān)直流穩(wěn)壓電源解決方案完全不受強(qiáng)磁場的影響——即使是精心屏蔽的鐵氧體磁芯變壓器也會(huì)因?yàn)閺?qiáng)磁場而飽和。他們可能會(huì)使用開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)。然而，在自制設(shè)計(jì)中，MRI設(shè)備發(fā)出的RF場也需要予以考慮。設(shè)計(jì)人員需要了解他們的設(shè)計(jì)應(yīng)該如何進(jìn)行RF屏蔽（見參考文獻(xiàn)《Power Supply for MRI Environment（面向MRI環(huán)境的直流穩(wěn)壓電源）》）。
通常情況下，空芯變壓器效率不高（20~30%），但可以完成這項(xiàng)工作。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(hào)最多只有0.5μH。
屏蔽材料
設(shè)計(jì)人員可能希望使用屏蔽材料來隔離高強(qiáng)度磁場。相對磁導(dǎo)率對于所有頻率不會(huì)保持不變。不同的屏蔽材料具有不同的相對磁導(dǎo)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。
表1：150kHz時(shí)屏蔽材料的特性。（Hemming，1992）
要注意不應(yīng)使鐵磁材料飽和，不然就會(huì)失去衰減磁場的能力。上述參考文獻(xiàn)中的解決方案建議創(chuàng)建一個(gè)雙層屏蔽層，其中外層具有較低的相對磁導(dǎo)率和較低的飽和磁化率，這將使得內(nèi)屏蔽層可以很好地屏蔽磁場。
MRI電感器設(shè)計(jì)步驟
MRI直流穩(wěn)壓電源所需的電感與開關(guān)頻率成正比，如公式1所示：
其中：L是μH級(jí)的電感，VOUT是輸出電壓，ΔI是電感紋波電流，F(xiàn)SW是開關(guān)頻率，D是占空比。
一旦計(jì)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?。?br />
其中：L是μH級(jí)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(guān)頻率會(huì)導(dǎo)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。
表2列出了MRI設(shè)備的典型直流穩(wěn)壓電源要求。其最高的直流穩(wěn)壓電源軌是20.5A/12V，（標(biāo)稱）輸入電壓為48V。MOSFET RDS(ON)和開關(guān)損耗（在2.488MHz工作時(shí)是主要的MOSFET損耗）兩者相結(jié)合，使得熱管理極具挑戰(zhàn)性。
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?yàn)槠渚哂袔缀鯙榱愕姆聪蚧謴?fù)時(shí)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(guān)鍵的柵極驅(qū)動(dòng)要求，因此LM5113 GaN FET驅(qū)動(dòng)器也是必需的。
表2：MRI直流穩(wěn)壓電源軌。（圖片由TI提供）
AVX公司提供空芯電感器樣品，Coilcraft公司有Air Core Springs和設(shè)計(jì)者工具。
在大電流下需要負(fù)電壓輸出
MRI應(yīng)用中更具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)要求之一是在大輸出電流下需要負(fù)輸出電壓。這是需要克服的另一個(gè)挑戰(zhàn)。表2顯示了MRI反相升降壓直流穩(wěn)壓電源在電流為15.84A、電壓為48V至-15V（和48V至-8V）時(shí)的直流穩(wěn)壓電源要求。這種反相升降壓拓?fù)涞膫鬟f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(yīng)力的危險(xiǎn)。
實(shí)際上，在具體的系統(tǒng)中到底采用哪種類型的架構(gòu)方案還是由設(shè)計(jì)人員決定。我希望本文能夠提供一些幫助，讓您為自己的設(shè)計(jì)項(xiàng)目做出正確的選擇。
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