在电气化和数字化程度日益提高的今天，如何获取值得信赖的安全性和数据完整性变得至关重要。数字隔离技术则是贯穿这一切的必要元素。数字隔离技术提供一个电气屏障，保护数据免受破坏性的电磁干扰(EMI)影响，并在高压与人员、设备和数据之间形成安全边界。这种隔离边界让工程师可以放心地开展设计，知道应用能够满足功能性和安全性目标。许多应用都需要采用这种隔离技术，包括医疗设备、电动汽车和工业设备。

尤其是数字医疗领域，电子医疗设备易受静电放电(ESD)影响，导致设备不可靠。隔离技术能够帮助其在不受高压和电磁干扰影响的情况下获取更高质量的数据，保证更准确的诊断、更出色的洞察，最终转化为更佳的治疗效果。目前数字隔离技术已经开始融入越来越多的医疗产品中，作为一直走在数字隔离技术发展前沿的ADI就推出了不少出色的解决方案，本文将从其中的三款医疗产品详细解读ADI在这些隔离设计中的思考。

千兆LVDS隔离器实现医疗成像高宽带传输
为了在制造成本和图像质量方面有更好的表现，外科成像设备（包括内窥镜）逐渐数字化，从电荷耦合器件(CCD)转向CMOS传感器，后者易于缩小尺寸，可嵌入摄像机头部。使用CMOS摄像机之后，无需串行连接多个镜头，且可以改善整体的图像质量，生产成本降低，使得一次性外科内窥镜的使用成为可能。

带CMOS图像传感器的数字内窥镜的电子接口
但是另一方面，在转向数字内窥镜之后，CMOS图像传感器（接触患者）和摄像机控制器(CCU)之间必须提供高速电子接口。低压差模信号（LVDS）和可扩展低压信号(SLVS)层逐渐成为实现这种互连的常用的物理层，提供高带宽和相对较低的功率。这种接口与视频内窥镜中的接口不同，它目前是电子式的，可能传输危险电流，所以保证隔离患者和潜在的有害电流式也是设计考虑的必要因素。

不仅如此，要从CMOS图像传感器到内窥镜CCU之间的电子视频传输，那么两者之间需要建立符合安全要求的高速连接。ADI推出了独有的解决方案ADN4654系列LVDS数字隔离器，在可信的安全壁垒内执行高带宽传输，以满足IEC 60601-1的医用电气设备安全通用要求标准要求。

ADN4654千兆LVDS隔离器框图
ADN4654系列提供双通道隔离，每个通道的数据速率高达1.1 Gbps，这代表着数字隔离在速度方面的一大飞跃。它们采用20引脚SSOP封装，提供2.2 Gbps总吞吐量，相比基于传统的数字隔离器的解决方案，其体积大大减小。

此外，利用ADN4654的千兆数据速率，可以降低系统的复杂性，而且仅使用两个设备即可实现4.4 Gbps带宽。每个设备都有两个通道，总共四个，每个通道都以1.1 Gbps运行。具备高通道带宽之后，则不再需要信号链中的任何SERDES模块。在需要对不止一个接口实施隔离的系统中，空间和复杂性的改善得以兼顾。

修筑安全壁垒保证外围医疗显示器安全连接
根据IEC 60101标准，医疗设备中的显示器是已知的、可信的且已经过认证，能够作为医疗设备使用，然而对于任何现成的外部电视和显示器，则无法保证这一点。为了确保患者的安全，应在医疗设备与外围设备之间的外部连接中增加隔离以保护患者，不过视频端口与外部显示器的隔离会带来新的挑战。

显示器的标准化接口的带宽要求远远超过使用合适数量的光耦合器或标准数字隔离器可以实现的带宽，而尝试隔离视频接口的整个信号链会使复杂度进一步增加。例如，HDMI 1.3a协议不止包含用于传输视频数据的转换最小化差模信号(TMDS)，还包括用于交换视频/格式信息、电源电路，以及检测显示（接收器）设备之间的连接和断开的双向控制信号。在添加系统设计人员视为障碍的电气隔离时，必须考虑所有这些因素。

对常用的视频协议实施电气隔离简化电路图
对此，ADI提供了一款对常用的视频协议（例如HDMI 1.3a）实施电气隔离的参考设计（如上图），能够在需要对患者实施保护时，可以直接增加额外的安全保护。如图所示，在高清多媒体接口(HDMI)源和 HDMI 接收设备之间提供完全隔离的连接。信号和电源隔离确保 HDMI源（例如医用内窥镜或机器故障监控摄像机）和HDMI 接收端（例如摄像机控制模块）之间能够安全、无噪连接。电路中的隔离能提供电气线路浪涌保护并断开总线和数字引脚之间的接地连接，增加系统安全性和鲁棒性，进而消除系统中可能存在的接地环路。

丰富的隔离技术满足除颤器多类型接口
医疗电子设备的任何非预期信号都容易产生电流，其流经病人身体，破坏神经系统并影响心脏等器官的肌肉。所以设计具有电气安全性的电子设备时，这些重要的电气安全性要求便是IEC60601医疗安全标准中的一部分。除颤器等产生高电压的设备更是如此，需要隔离阻断主电源或其它医疗设备到设备电源的电气路径。

如图中的除颤器具有几个不同的接口，并使用了多种隔离技术（ADuM4401、ADuM4223、ADum4160），是检查隔离式通信接口的极佳示例。设备必须使用ECG监控病人的心脏活动，以便决定是否进行除颤。ECG数据路径必须与除颤器的高压部分相隔离，以便在病人身上施加电击时不会熔断敏感的ECG电子器件。可通过隔离栅极驱动器和数字隔离器在内部实现隔离。设备还可集成以太网接口，当设备闲置在墙上时进行状态监控；以太网采用机械式联锁，因此当除颤器从墙上取下时便无法使用。类似的，电池充电系统也接在墙上并进行联锁。最后一个需要进行隔离的功能是通信端口，它允许下载ECG和除颤数据，供医生查看分析。该连接一般会隔离USB接口，因此无需将设备与病人断开即可获取数据。

典型急救除颤器
写在最后
如今，我们的电气化和自动化数字未来比以往任何时候都更需要更高级别的安全性和数据完整性，以保护作为其核心的日益复杂且敏感的电子产品。而ADI作为电气与电子结合的专家，凭借遍及各处的检测和数字化技术，以及经过认证的iCoupler 数字隔离器努力实现着这一目标。从RS485接口、USB和CAN到千兆比特LVDS，再到针对IGBT & SiC制作的隔离式栅极驱动器、隔离开关以及隔离式Σ-Δ ADC调制器和放大器等一系列的创新产品都在为包括医疗在内的各个电气化领域提供着出色的数字隔离专利技术。

来源：ADI