Методическое пособие 751

позолоченного корпуса, которое негативно отражается на формировании эвтектического сплава и образовании паяного соединения, что приводит к повышению величины теплового сопротивления Rt П-К. Обработка в низкотемпературной плазме аргона очищает поверхность фланца от попавших на нее или образовавшихся в процессе хранения загрязнений и приводит к формированию более качественного соединения, так как транзисторы из группы 3 показывают меньшее тепловое сопротивление Rt П-К, чем у группы 2, однако оно несколько выше, чем у транзисторов, при изготовлении которых использовались только что позолоченные фланцы (группа 1). Это показывает, что полностью восстановить свойства позолоченной поверхности фланца путем обработки в низкотемпературной плазме аргона не удается. Требуется более мощное физикохимическое воздействие, выбор типа которого будет возможен после изучения соединений, образующихся в процессе хранения на поверхности золотого покрытия, что будет материалом для последующих исследований.

Таким образом, хранение позолоченных корпусов транзисторов сверх нормативных сроков, установленных в конструкторской документации, приводит к ухудшению их свойств и снижению качества изготовленных с их использованием мощных СВЧ транзисторов. Обработка в низкотемпературной плазме аргона восстанавливает качество поверхности долго хранившихся позолоченных корпусов, но оно не достигает уровня качества корпусов со свежеосажденным золотым покрытием.

Литература

1.Проектирование и технология производства мощных СВЧтранзисторов / В. И. Никишин [и др.]. – М. : Радио и связь, 1989. – 144 с.

2.ОСТ 11 0944-96. Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Методы расчета, измерения и контроля теплового сопротивления. Разработан ГУП НПП «Пульсар». – 110 с.

3.Захаров А. Л. Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: Метод эквивалентов / А. Л. Захаров, Е. И. Асвадурова. – М. : Радио и связь, 1983. – 184 с.

АО «Научно-исследовательский институт электронной техники», г. Воронеж

*Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина», г. Воронеж

30

УДК 621.311.182.4:621.311.181.4

Т.В. Свистова, В.А. Воробьев*

БЛОК ПИТАНИЯ ДЛЯ ПОРТАТИВНОГО ПРИБОРА МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Работа посвящена разработке блока питания для портативного прибора медицинской диагностики. Блок питания является одним из важнейших элементов портативного медицинского устройства, поскольку стабильность работы любого портативного медицинского устройства в немалой степени зависит от правильного выбора и обоснованного расчета необходимой мощности потребления.

Портативное медицинское оборудование представляет собой технические средства небольшого размера, которые используются в медицинских целях для диагностики, профилактики и лечения заболеваний. Архитектура портативных медицинских приборов может отличаться, однако в каждом из таких устройств в обязательном порядке присутствует блок питания. К портативным медицинским приборам обычно предъявляют довольно жесткие требования по уровню надёжности, времени автономной работы и безопасности. Большая часть этих требований напрямую затрагивает систему питания портативного медицинского устройства и её компоненты. Ограничение пространства для установки аккумуляторов значительно усложняет разработку блоков питания для портативных медицинских устройств. Портативная медицинская техника должна быть запитана от такого источника, который позволит оставаться ей мобильной (автономность от розеток) и функционировать продолжительное время без замены источника питания.

Целью работы является разработка блока питания для портативного прибора медицинской диагностики (анализатора выдыхаемого человеком воздуха).

Рассмотрим существующие варианты блоков питания для портативных медицинских приборов.

Блок питания портативного газоанализатора Nobreath фирмы Bedfont имеет малый вес и небольшие габаритные размеры, является полностью портативным (автономность питание обеспечивается тремя щелочными элементами АА, LR6 или аналогичными). Напряжение питания составляет 4,5 В. От одного комплекта батареек / аккумуляторов может быть проведено не более 120 измерений [1].

Впатенте RU 43593 описан портативный терапевтический ультразвуковой аппарат, содержащий внешний блок питания [2].

Впатенте RU 194041 рассмотрен портативный электролизер, состоящий из электрохимического блока и автономного источника питания, соединенных

31

между собой герметично. Автономный источник питания представляет собой блок питания, выполненный в виде полого корпуса с герметичным внутренним отсеком, в котором размещают стандартные элементы питания. В качестве стандартных элементов питания могут использоваться батарейки или аккумуляторные батарейки. Корпус блока питания может быть выполнен из металла, из пластмассы или из полимеров. Металлический корпус может быть выполнен с анодированным или порошковым покрытием. В боковую стенку корпуса блока питания встроен светодиодный индикатор режима работы источника питания. В торцевой части корпуса расположена кнопка включения/отключения элементов питания [3].

Впатенте RU 2703657 описано устройство для ультразвуковой обработки открытых ран, содержащее встроенный источник питания. Источник питания представляет собой аккумулятор, который предпочтительно может быть заряжен посредством индуктивного зарядного устройства [4].

Впатенте RU 174321 рассмотрен портативный газоанализатор, источник питания которого выполнен в виде аккумуляторной батареи [5].

Впатенте RU 172819 описан приборный блок носимого медицинского диагностического комплекса, оснащенный элементами питания (сменным аккумулятором), обеспечивающим его работу [6].

Впатенте RU 2594975 рассмотрен галоингалятор, корпус которого снабжен герметичным отсеком для размещения источника питания, представляющего собой стандартную батарейку на 1,5 В для запитывания электромото-

ра [7].

Впатенте RU 2408007 описан портативный газоанализатор, содержащий встроенный блок питания и предусматривающий два варианта питания - от сети и от встроенных элементов (сменные аккумуляторы или иные элементы питания.) с возможностью подзарядки [8].

Впатенте RU 177408 рассмотрено портативное устройство для контроля состояния дыхательной системы больных обструктивными заболеваниями легких, включающее блок питания, последовательно соединенные между собой чувствительный элемент, аналого-цифровой преобразователь и блок регистрации, содержащий вычислительное устройство. Блок питания может быть как первичным источником питания, обеспечивающим автономность, (компактный аккумулятор) с зарядным устройством, так и вторичным источником питания, например импульсный блок питания. Для повышения электробезопасности заряд первичного источника питания может осуществляться беспроводным способом, например, с помощью электромагнитной индукции, что обеспечит гальваническую развязку от электросети [9].

Впатенте RU 2373850 описана диагностическая система анализа газового состава выдыхаемого воздуха, питание которой осуществляется либо от сети переменного тока, либо от внешнего блока питания. Источником питания может служить сеть переменного тока 110/60 В/Гц, 220/50 В/Гц или аккумуляторные батареи/батарейки. Блок питания реализован на основе микросхемы управ-

32

ления импульсным блоком питания VIPer53 и высокочастотного трансформа-

тора [10].

В таблице приведено сопоставление блоков питания для портативных приборов и их характеристики.

Сопоставление блоков питания для портативных приборов медицинской диагностики

33

Окончание табл.

Разработанный блок питания обеспечивает подачу питания стабилизированным напряжением к следующим функциональным системам портативного газоанализатора: цифровая часть; пневматическая система; LED-дисплей; газовый датчик. Необходимо разработать блок питания, который должен иметь следующие технические характеристики:

–питание блока осуществляется от Li-ion аккумуляторной батареи 3,7 В;

–для питания цифровой части необходимо два стабилизированных постоянных напряжения с номиналом 3,3 В и 1,8 В;

–для питания LED-дисплея требуется стабилизированное постоянное напряжение 5 В;

–для питания газового датчика требуется стабилизированное постоянное напряжение до 5 В;

–для питания пневмосистемы требуется постоянное нестабилизированное напряжение c рабочим диапазоном от 3,3 до 5,5 В;

–защита АКБ от короткого замыкания и перегрузок;

–наличие индикатора заряда/разряда АКБ.

34

Блок питания и АКБ должны помещаться в корпусе портативного газоанализатора с размерами приблизительно 155 мм 90 мм 50 мм. Корпус прибора изготовлен из поликарбоната и смеси акрилонитрил-бутадиен-стирола (АБС) методом эластомерного литья.

Для апробации схемотехнических и конструкторских решений и наглядности описания принципа работы был собран макет блока питания портативного медицинского устройства, приведенный на рисунке.

Макет блока питания портативного медицинского устройства:

1 – клеммы для контроля напряжения; 2 – DC/DC преобразователь № 1; 3 – батарейный отсек; 4 – аккумуляторная батарея (АКБ);

5 – клеммы выходных напряжений; 6 – тумблер включения питания; 7 – DC/DC-преобразователь № 2;

8 – переключатель контролируемого напряжения

Зарядное устройство контролирует состояние аккумулятора, заряжает его ограниченным током, контролирует величину и направление протекания электрического тока.

Схема защиты аккумуляторной батареи включает в себя срабатывания по короткому замыканию, тепловую защиту, контроль полярности подключения аккумулятора, защищает аккумулятор от перезаряда и от глубокого разряда.

35

Индикатор заряда/разряда своим цветом и режимом свечения отображает разные режимы работы аккумулятора. Зеленое продолжительное свечение означает режим заряда, зеленый прерывистый означает разряд аккумулятора от 100 % до 20 % от номинальной емкости, красный прерывистый предупреждает о достижении аккумулятором уровня заряда 20 % емкости и ниже и необходимости подключения к входному гнезду штекера адаптера питания для проведения подзарядки аккумуляторов.

DC/DC-преобразователь преобразует постоянное напряжение аккумулятора в ряд напряжений, необходимых для работы различных функциональных систем портативного медицинского устройства.

Использование в составе портативного устройства медицинской диагностики импульсных преобразователей, как повышающих DC/DC-преобра- зователей, так и повышающе-понижающих DC/DC-преобразователей позволяет использовать весь рабочий диапазон напряжений аккумуляторной батареи полностью. Применение нестандартных схемных решений с собственным наноамперным потреблением в режиме сна также позволяет продлить время работы всего устройства. Эти решения увеличивают время работы устройства от одной зарядки аккумулятора, поскольку работа устройства продолжается до более глубокого разряда элемента питания.

В качестве элемента питания для портативного прибора медицинской диагностики был выбран литий-ионный аккумулятор (Li-ion), обладающий длительным сроком службы, большим временным интервалом между зарядками, малыми токами саморазряда, широким интервалом рабочих температур, в котором сохраняются энергетические характеристики. Выбор форм-фактора литиевого аккумулятора будет зависеть от окончательной конструкции корпуса портативного прибора медицинской диагностики. Это решение позволит отказаться от использования одноразовых гальванических элементов питания, как солевых, так и щелочных элементов, что будет способствовать сокращению количества использованных элементов питания, и, как следствие, уменьшению обьёмов утилизируемых отходов.

Разработка компактного, легкого, надежного и безопасного блока питания для современных портативных приборов медицинской диагностики является актуальной задачей современного приборостроения. Конструкцию блока питания нужно адаптировать для серийного производства, для чего необходимо обеспечить технологичность сборки, взаимозаменяемость узлов и деталей. Кроме того, следует максимально приспособить конструкцию блока к уже организованному серийному производству предприятия. Это обеспечит минимальные затраты при производстве, поскольку не потребуется обновления материальной и технологической базы.

36

Литература

1.NObreath. Руководство пользователя. – 17 с.

2.Пат. 43593 Российская Федерация, МКПО 24-01 Аппарат ультразвуковой терапевтический портативный / А. Н. Гусихин, М. Ф. Верхова, Э. А. Колесов, Ю. С. Тихонова – № 95500296. Бюл. № 7. – 2 с.

3.Пат. 194041 Российская Федерация, МПК C25B 9/00 Портативный электролизер для получения раствора гипохлорита натрия / Д. Е. Лазовский, М. Г. Измайлов, Н. Е. Беняев, О. Н. Никитин – № 2019130871. Бюл. № 33. – 7 с.

4.Пат. 2703657 Российская Федерация, МПК A61N 7/00, A61N 5/06, A61N 5/0624, A61B 90/98 Устройство для ультразвуковой обработки открытых ран / Й. К. Фровиттер - № 2017129070. Бюл. № 30. – 11 с.

5.Пат. 174321 Российская Федерация, МПК G01N 21/3504 Газоанализатор портативный / А. И. Иващенко – № 2017117054. Бюл. № 29. – 6 с.

6.Пат. 172819 Российская Федерация, МПК A61B 5/01, A61B 5/0205, A61B 5/021, A61B 5/024, A61B 5/0402, A61B 5/145, G08B 21/02 Приборный блок носимого медицинского диагностического комплекса / С. А. Будагян –

№2016147605. Бюл. № 21. – 11 с.

7.Пат. 2594975 Российская Федерация, МПК A61M 15/00 Портативный галоингалятор / Н. А. Уваров, О. Р. Михайлов, В. А. Виноградов, М. Г. Головлев – № 2014149764. Бюл. № 23. – 13 с.

8.Пат. 2408007 Российская Федерация, МПК G01N 27/12 Портативный газоанализатор / Т. А. Кучменко, А. М. Кучменко, А. В. Чурсанов, Р. У. Умарханов – № 2008136601. Бюл. № 36. – 5 с.

9.Пат. 177408 Российская Федерация, МПК A61B 5/08 Портативное устройство для контроля состояния дыхательной системы больных обструктивными заболеваниями легких на дому / В. И. Коренбаум, А. Д. Ширяев, А. Е. Костив, А. Ю. Глазова, З. М. Юлдашев, О. И. Кабанцова – № 2017119728. Бюл.

№6. – 6 с.

10.Пат. 2373850 Российская Федерация, МПК A61B 5/097 Диагностическая система анализа газового состава выдыхаемого воздуха / А. В. Козлов –

№2007146466. Бюл. № 33. – 5 с.

Воронежский государственный технический университет

*АО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж

37

УДК 621.372.54

Е.В. Невежин, Е.Н. Бормонтов

МОДЕЛЬ АКТИВНОЙ КМОП-ИНДУКТИВНОСТИ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИИ 0,18 МКМ

В работе рассмотрены вопросы КМОП-реализации индуктивных элементов. В качестве базового схемотехнического узла для этой цели предложен цифровой инвертор. RLC-модель рассматриваемой активной индуктивности показала удовлетворительную точность в диапазоне частот 0,1 – 1,0 ГГц.

Известно, что спрос на ВЧ-интегральные схемы постоянно растет. При этом необходимо отметить, что индуктивность является важнейшим компонентом в блоках проектирования ВЧ-систем, таких как генераторы, управляемые напряжением, малошумящие усилители, согласующие цепи, электрические фильтры и т.д. На рис. 1 приведен пример топологии LC-генератора, управляемого напряжением [1] для системы фазовой автоподстройки частоты со спиральными индуктивностями. Пример убедительно показывает, что индуктивности занимают доминирующую площадь микросхемы, что снижает ее конкурентные преимущества. К числу иных существенных недостатков спиральных индуктивностей нужно отнести ее фиксированное значение и невысокую добротность.

Рис. 1. Генератор, управляемый напряжением с двумя индуктивностями (отмечены стрелками)

В настоящее время широко обсуждаются возможности построения активной индуктивности на основе гираторной структуры. Принцип построения активной индуктивности можно изложить следующим образом. Известно, что комплексное сопротивление традиционной индуктивности представляется так:

38

где L – величина индуктивности. Рассмотрим схему рис. 2.

Рис. 2. Схема гираторной индуктивности

На рис. 2 треугольниками обозначены преобразователи напряжение-ток с коэффициентами преобразования Gm1, Gm2 > 0. Кольцо, образованное преобразователями, представляет собой гиратор – элемент электрической цепи, предложенный Телледженом в 1948 г. Нетрудно оценить входное сопротивление структуры:

Эквивалентная индуктивность, формируемая схемой, таким образом, составляет

КМОП-схемотехника предлагает различные варианты построения преобразователей напряжение-ток с использованием каскодных и дифференциальных структур.

Цель настоящей работы состоит в описании модели активной индуктивности, построенной на КМОП-инверторах, используемых в качестве преобразователей напряжение-ток и технологически совместимых с цифровой схемотехникой.

Если ввести в конструкцию рис. 2 паразитные элементы, (свойственные преобразователям напряжение-ток в любом исполнении), а именно: G01 и G02 – активные выходные проводимости преобразователей и С1, С2 – паразитные емкости в точках Vin и Vout, получаем следующее выражение для входного комплексного сопротивления:

Несложно убедиться в том, что это комплексное сопротивление воспроизводится эквивалентной схемой рис. 3 с учетом следующих соотношений:

39