Rumore a raggi X in MHz: frequenza di auto-risonanza del condensatore ad alta tensione

Rumore a raggi X in MHz: frequenza di auto-risonanza del condensatore ad alta tensione

Astratto

I generatori di raggi X medicali combinano l'ondulazione di rettificazione a bassa frequenza con il rumore di commutazione, che varia da decine di kilohertz a diversi megahertz. Al di sopra della sua frequenza di auto-risonanza, un condensatore diventa induttivo e un banco di condensatori costruito senza tale limite può aumentare il rumore che avrebbe dovuto eliminare. Questo articolo presenta le equazioni di auto-risonanza e di cutoff, tre problemi di campo e un metodo di selezione banda per banda con una rete pi greco e smorzamento.

1. introduzione

L'ondulazione di uscita in un generatore di raggi X medicale è composta da due parti. La prima è l'ondulazione di rettifica, da poche decine di hertz a qualche kilohertz. La seconda è il rumore di commutazione dell'inverter, da poche decine di kilohertz a diversi megahertz.

La parte ad alta frequenza è il problema più difficile. Si accoppia al cavo ad alta tensione, raggiunge il rivelatore e si manifesta sull'immagine come neve, striature o un motivo a griglia. L'artefatto non è un difetto estetico: un radiologo potrebbe non notare una lesione che si trova dietro di esso.

Tre abitudini progettuali aggravano il problema. Gli ingegneri aggiungono componenti elettrolitici di grandi dimensioni ignorandone l'induttanza. Scelgono componenti ceramici senza verificarne la frequenza di auto-risonanza. Posizionano il filtro lontano dalla sorgente di rumore, lasciando che sia l'induttanza della traccia a determinarne il risultato.

Questo articolo tratta il modello ad alta frequenza di un condensatore, la trappola a risonanza parallela, tre problemi di campo e sette fasi di progettazione per un filtro che attenua il rumore in ogni banda anziché amplificarlo in una.

2. Meccanismo fondamentale

2.1 Da dove proviene il rumore di commutazione

I MOSFET e gli IGBT dell'inverter commutano con dV/dt nell'ordine dei kV/µs e dI/dt nell'ordine delle decine di A/µs. Quattro percorsi trasportano tale energia all'uscita:

• la capacità tra gli avvolgimenti del trasformatore AT
• corrente di recupero inverso nei diodi raddrizzatori
• induttanza parassita nel bus ad alta tensione
• corrente di modo comune attraverso il sistema di messa a terra

L'ultimo percorso causa i maggiori problemi, perché quella corrente esce e ritorna all'esterno dell'uscita differenziale.

2.2 Il modello ad alta frequenza di un condensatore

Un condensatore reale è una combinazione in serie di C, ESR e ESL, con un'impedenza pari a:

Z_C = ESR + j(2πf · ESL − 1/(2πf · C))

dove Z_C è l'impedenza del condensatore, ESR la resistenza serie equivalente, ESL l'induttanza serie equivalente, f la frequenza e C la capacità.

Da tale espressione si possono distinguere tre regioni. Al di sotto del punto di auto-risonanza, il termine capacitivo è dominante e l'impedenza diminuisce all'aumentare della frequenza. Nel punto di auto-risonanza, l'impedenza raggiunge il suo minimo, pari alla ESR. Al di sopra di esso, il termine induttivo è dominante e l'impedenza aumenta nuovamente.

La frequenza di auto-risonanza è:

f_SRF = 1 / (2π · √(ESL · C))

dove f_SRF è la frequenza di auto-risonanza del condensatore. Al di sopra di f_SRF il componente si comporta come un induttore, quindi lascia passare il rumore invece di scaricarlo a massa.

2.3 Risonanza parallela tra banchi

I condensatori in parallelo con valori di ESL e ESR differenti possono entrare in risonanza tra loro. La coppia più frequente è costituita da un condensatore elettrolitico di grandi dimensioni affiancato a un condensatore ceramico di piccole dimensioni, poiché i loro valori di ESL differiscono di uno o due ordini di grandezza.

Senza smorzamento, tra 100 kHz e 10 MHz compare un picco. In corrispondenza del picco, l'impedenza del ramo può superare l'impedenza di ciascuna parte presa singolarmente, pertanto il filtro amplifica il rumore in quella banda anziché eliminarlo.

2.4 Traccia dell'induttanza nel ramo del filtro

La traccia tra il condensatore di filtro e la sorgente di rumore aggiunge la propria induttanza. Una traccia su PCB aggiunge circa 1 nH - 2 nH per centimetro, quindi una traccia di 5 cm fornisce 10 nH. L'ESL del ramo è la somma, quindi una parte da 5 nH dietro una traccia da 10 nH si comporta come una parte da 15 nH:

V_noise_after = V_noise_before · Z_C / (Z_C + j2πf · L_trace)

dove V_noise_after è la tensione di rumore al carico, V_noise_before la tensione di rumore alla sorgente, Z_C l'impedenza del condensatore e L_trace l'induttanza della traccia. Triplicando l'ESL del ramo si triplica il livello induttivo al di sopra del punto di auto-risonanza, il che comporta una perdita di attenuazione di circa 9 dB.

Figura 1 — Un condensatore elettrolitico da 1 µF diventa induttivo al di sopra della sua auto-risonanza a 700 kHz, mentre la parte di Classe I da 4700 pF rimane a bassa impedenza oltre i 10 MHz.

3. Punti critici di ingegneria

Punto critico 1: Le parti elettrolitiche smettono di funzionare ad alta frequenza

I condensatori elettrolitici offrono un'elevata capacità a basso costo, il che li rende adatti alla banda di bassa frequenza. La loro ESL (Equalized Sequence Load, induttanza elettrochimica) varia da 20 nH a 100 nH, quindi il punto di auto-risonanza si trova tra decine di kilohertz e alcune centinaia di kilohertz.

A 10 MHz lo stesso componente ha una resistenza di circa 3.1 Ω, pari a quella di un condensatore ceramico da 4700 pF, ma a 30 MHz sale a 9.4 Ω mentre il condensatore ceramico rimane intorno a 1.5 Ω. Un progetto che aggiunge capacità elettrolitica per correggere il rumore in MHz peggiora ulteriormente il problema.

Punto critico 2: L'aumento della capacità aumenta la corrente di spunto

Per ridurre l'ondulazione, gli ingegneri continuano ad aumentare la capacità del filtro, e con essa aumenta anche l'energia immagazzinata. All'accensione, il banco di batterie si carica attraverso il ponte raddrizzatore e la corrente di spunto può far saltare un fusibile, far scattare un relè di protezione o danneggiare il raddrizzatore.

La corrente di spunto segue la relazione I_inrush = C · dV/dt, quindi raddoppiando C raddoppia la sollecitazione sul ponte e sul fusibile.

Punto critico 3: La rete di filtri non ha una progettazione di impedenza

Molti progetti, per esperienza, mettono in parallelo diversi condensatori, senza un obiettivo di impedenza per la banda di rumore. Il risultato appare ragionevole sullo schema, ma fallisce nella camera EMC, perché il picco di risonanza si trova all'interno della banda di interesse.

Una tabella di frequenza, una frequenza di taglio e una resistenza di smorzamento trasformano queste congetture in un progetto verificabile.

4. Fasi di progettazione

Strategia 1: Assegnare a ciascun condensatore una banda di frequenza

Utilizzare una selezione a strati, con un tipo di condensatore diverso in ciascuna banda. La tabella fornisce una configurazione di partenza.

Banda di frequenza	Tipo di condensatore	Valore tipico	Funzione
al di sotto dei 10 kHz	pellicola ad alta tensione o elettrolitica	Da 1 µF a 10 µF	onda di rettifica
10 kHz a 1 MHz	Ceramica ad alta tensione, conduttore corto	Da 10 nF a 1 µF	rumore di commutazione dell'inverter
1 MHz a 10 MHz	piccola ceramica ad alta tensione	da 100 pF a 10 nF	rumore ad alta frequenza
sopra i 10 MHz	Ceramica SMD con una perlina	10 pF a 100 pF	rumore ad altissima frequenza

Ciascuna parte deve risuonare autonomamente al di sopra del limite superiore della propria banda. Verificate prima questa condizione, perché una parte che risuona autonomamente all'interno della propria banda aggiunge impedenza anziché rimuoverla.

Strategia 2: Utilizzare componenti ceramici a bassa ESR e bassa ESL nelle bande medie e alte

An Dielettrico N4700 di classe I mantiene un ESR compreso tra 10 mΩ e 100 mΩ a 100 kHz e un ESL compreso tra 10 nH e 50 nH, a seconda del package. Il punto di auto-risonanza si colloca quindi tra pochi megahertz e decine di megahertz, che copre il rumore che raggiunge il rivelatore.

I componenti elettrolitici presentano valori di ESL e ESR superiori di uno o due ordini di grandezza, pertanto rientrano nella fascia bassa in cui compete anche il condensatore a film.

Strategia 3: Progettare la rete pi greco a partire dalla frequenza di taglio

Una rete pi greco posiziona una capacità su entrambi i lati di un'impedenza in serie: C1, poi una perlina o un piccolo induttore, quindi C2. C1 si trova sul raddrizzatore e trasporta il valore maggiore; C2 si trova sul tubo e trasporta il valore minore, con ESL inferiore. La frequenza di taglio è:

f_c = 1 / (2π · √(L · C1·C2/(C1+C2)))

dove f_c è la frequenza di taglio, L l'induttanza in serie o l'impedenza della perlina, e C1 e C2 le due capacità. Impostare f_c al di sotto della frequenza di rumore più bassa di interesse e verificare che la corrente nominale della perlina superi la corrente di picco del carico.

Strategia 4: Posizionare i componenti per una bassa induttanza

Posiziona il filtro il più vicino possibile al raddrizzatore e al tubo, poiché la lunghezza della traccia rappresenta un'induttanza. Disponi i condensatori, grandi e piccoli, in ordine, con la parte più piccola più vicina al nodo sensibile. Utilizza cavi di rame larghi, array di via e circuiti stampati multistrato. I conduttori lunghi e sottili aggiungono induttanza che nessun valore capacitivo può compensare.

Laddove la configurazione impone un lungo tratto di cavo, utilizzare una sbarra collettiva o una struttura coassiale. Su una linea a 150 kV, la forma coassiale controlla anche il campo, risolvendo così due problemi contemporaneamente.

Strategia 5: Smorzare la risonanza parallela

Inserire una piccola resistenza in serie tra la parte grande e la parte piccola per appiattire il picco di risonanza. Un valore compreso tra 0.1 Ω e 1 Ω è sufficiente nella maggior parte delle reti di filtri HV. Utilizzare un resistore a bassa induttanza HVRGHP in questo modo lo smorzatore non introduce la propria induttanza nel ramo.

L'attenuatore comporta una piccola perdita e una piccola attenuazione nella banda di frequenza che smorza. Il compromesso è vantaggioso, perché altrimenti il ​​picco di risonanza potrebbe aggiungere 10 dB o più di guadagno.

Strategia 6: Limitare la corrente di spunto all'accensione

La corrente di spunto in ingresso a un banco di filtri è la seguente:

I_inrush = C · dV/dt

dove I_inrush è la corrente di spunto di picco, C la capacità del filtro e dV/dt la velocità di variazione della tensione applicata all'accensione. Limitala con una resistenza di precarica in serie che un contattore cortocircuita dopo la carica, con un termistore NTC o con una rampa di avvio graduale sulla tensione di ingresso.

Un banco di 10 µF che si carica a 10 kV in 1 ms assorbe 100 A attraverso il ponte. Utilizzare HVR-BSP resistori tubolari di precarica dove la tensione del banco è sufficientemente alta da richiedere che la resistenza mantenga anche la tensione massima.

Strategia 7: Filtrare il percorso di modo comune con condensatori Y

Aggiungere condensatori a stella (Y) tra i terminali di uscita ad alta tensione e la massa per deviare il rumore di modo comune. Il loro valore è limitato dal limite di corrente di dispersione previsto dalla normativa medicale.

C_Y ≤ I_leakage / (2πf · V_ac) ≈ 100 µA / (2π · 50 Hz · 220 V) ≈ 1.45 nF

dove C_Y è la capacità Y, I_leakage il limite della corrente di dispersione verso terra, f la frequenza di linea e V_ac la tensione di linea. Un intervallo pratico va da 470 pF a 1.45 nF, verificato rispetto allo standard e alla tensione di linea effettiva.

condensatori a film ad alta tensione Sia la ceramica a basso tenore di carbonio che quella a basso tenore di carbonio sono adatte a questo scopo, ma il valore di dispersione deve essere misurato sull'unità finita.

Parametro del componente	Valore tipico	Condizione di test
Tensione nominale (serie HVCT8G)	10 kV DC	Hi-pot 1.5× per 60 s
Capacità	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	inferiore a 50 mΩ	-
Induttanza di anello (accordo E40)	inferiore a 8 nH	Distanza tra i terminali: 40 mm
resistenza di isolamento	superiore a 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Range di temperatura	da -40 °C a +125 °C	Serie IEC 60068-2
Capacità di misurazione di impulsi dv/dt	oltre 50 kV/µs	a tensione nominale

5. Condensatori HVC N4700 per il banco di filtri

Due proprietà determinano se il banco di condensatori attenua o amplifica il segnale: l'impedenza al di sopra del punto di auto-risonanza e la stabilità della capacità in funzione della temperatura e della tensione. HVC produce componenti N4700 per entrambe le applicazioni, in uno stabilimento di proprietà di 6,000 m² a Dongguan, per una gamma di tensioni da 1 kV a 150 kV.

Sei parametri importanti in questo caso

• ESL inferiore a 30 nH. Il Serie di cavi corti HVCT9G mantiene il punto di auto-risonanza al di sopra della banda di rumore che raggiunge il rivelatore, in modo che il componente rimanga capacitivo dove è necessario.
• Resistenza serie equivalente (ESR) inferiore a 50 mΩ a 100 kHz. Le basse perdite garantiscono un minimo di impedenza nel punto di auto-risonanza e limitano il riscaldamento in un ciclo di lavoro continuo.
• DF inferiore allo 0.1% e TCC −4700 ppm/°C ±1000 ppm/°C. Le prestazioni di filtraggio si mantengono da 20 °C a 60 °C, quindi il valore di ondulazione misurato a freddo rimane valido anche dopo una procedura prolungata.
• PD inferiore a 5 pC a 1.5–2 volte la tensione nominale. Un condensatore di filtro è alimentato alla massima tensione di alimentazione, quindi la sua stessa scarica parziale rappresenta una fonte di rumore. Una bassa PD elimina questo contributo dall'immagine.
• Componenti coordinati. Resistenze di smorzamento HVRGHP, HVR-BSP resistori di precarica e diodi raddrizzatori a recupero rapido Possono essere ordinati insieme alla batteria per le posizioni di smorzamento, carica e raddrizzamento.
• Riferimento incrociato ai marchi di primo livello. I componenti HVC corrispondono ai parametri elettrici e agli indicatori di affidabilità di Vishay HVCC, KEMET a conduttori radiali, Murata DHS/DHR e TDK UHV/FHV, e vengono utilizzati nella produzione di grandi volumi di generatori ad alta tensione per OEM di apparecchiature di imaging medicale presenti nella lista Fortune 500.

Consegna e supporto

I componenti standard vengono spediti in 4-8 settimane, mentre i set di smorzamento e adattamento personalizzati in 6-10 settimane, rispetto alle 20-30 settimane standard dei marchi sopracitati. Il team di ingegneria applicativa di HVC si occupa dell'assegnazione delle bande, della progettazione del cutoff della rete pi, della selezione dello smorzamento e della revisione del layout per l'induttanza delle tracce.

Inviate lo spettro del rumore, la tensione di uscita, la corrente di carico e l'area disponibile sulla scheda. HVC vi restituirà, entro cinque giorni lavorativi, un foglio di abbinamento dei filtri con i codici dei componenti, i dati ESR e ESL alla frequenza del rumore e un kit di valutazione con due campioni.

6. Domande frequenti

D1: Perché l'aggiunta di capacità peggiora l'ondulazione?

Poiché ogni condensatore è induttivo al di sopra della sua frequenza di auto-risonanza, un condensatore elettrolitico da 1 µF con una ESL di 50 nH auto-risuona vicino a 700 kHz, presentando quindi un'impedenza crescente a 10 MHz. Quando una parte grande è adiacente a una parte piccola, i loro valori di ESL possono anche formare una risonanza parallela con un picco tra 100 kHz e 10 MHz. Entrambi gli effetti introducono rumore nella banda che avrebbero dovuto ripulire.

D2: Qual è la frequenza di auto-risonanza necessaria al condensatore del filtro?

Più in alto rispetto alla parte superiore della banda che serve. La relazione è f_SRF = 1/(2π·√(ESL·C)), quindi una piccola capacità e un terminale corto danno il punto più alto. Un componente da 4700 pF con 8 nH di ESL auto-risuona vicino a 26 MHz, mentre lo stesso componente in un contenitore con terminale lungo e 54 nH può arrivare vicino a 10 MHz. Scegli il componente in base alla banda, non solo in base al valore della capacità.

D3: Come posso interrompere la risonanza parallela tra le banche?

Aggiungere una resistenza di smorzamento tra la parte grande e quella piccola. Un valore compreso tra 0.1 Ω e 1 Ω appiattisce il picco con perdite minime. Scegliere una resistenza a bassa induttanza, poiché una parte a filo avvolto introduce induttanza nel ramo e sposta la risonanza anziché smorzarla. Verificare la curva di impedenza smorzata su un analizzatore prima del rilascio.

D4: A quale distanza dalla sorgente di rumore deve essere posizionato il filtro?

La distanza deve essere sufficientemente ravvicinata da mantenere l'induttanza del ramo al di sotto di 10 nH, ovvero circa 5-10 cm di traccia sul PCB. Oltre tale distanza, l'induttanza della traccia domina quella del ramo e l'attenuazione crolla. Laddove la distanza sia inevitabile, utilizzare una barra conduttrice o un cavo coassiale al posto di un lungo conduttore.

D5: Quanta capacità Y posso utilizzare?

Sufficiente a deviare il rumore di modo comune mentre la corrente di dispersione verso terra rimane inferiore a 100 µA in condizioni normali. A 50 Hz e 220 V ciò corrisponde a circa 1.45 nF come limite superiore, quindi un intervallo pratico è compreso tra 470 pF e 1.45 nF. Verificare il valore misurando la corrente di dispersione sull'unità finita, poiché la norma si applica all'apparecchiatura e non al componente.

D6: Posso continuare ad aumentare la capacità del filtro per ridurre l'ondulazione?

Solo fino a quando la corrente di spunto non diventa il limite. La corrente di spunto segue la legge I_inrush = C · dV/dt, quindi un banco di 10 µF che si carica a 10 kV in 1 ms assorbe circa 100 A attraverso il ponte e il fusibile. Oltre quel punto, aggiungere un percorso di precarica o una rampa di avvio graduale e utilizzare la tabella delle bande per posizionare la capacità dove effettivamente si trova il rumore.

7. Riferimenti

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Apparecchiature elettromedicali — Parte 1: Requisiti generali per la sicurezza di base e le prestazioni essenzialiGinevra: IEC, 2012.
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11. Team di ingegneria applicativa HVC, Risorse tecniche sui condensatori ceramici ad alta tensione, https://www.hv-caps.com