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MRI용 전원 공급 장치 설계


MRI(자기 공명 영상)는 대형 자석과 무선 전파를 사용해서 인체 내부의 기관과 구조를 살펴볼 수 있다. MRI 애플리케이션용 전원 공급 장치를 설계할 때는 고유의 과제들을 충족해야 한다. MRI 장비의 측정 감도를 고려했을 때 전원 공급 장치의 오실레이터 주파수는 MRI에 영향을 미치지 않는 주파수여야 한다.

MRI가 스캐닝을 할 때 통상적으로 1~3테슬라의 높은 자기장을 방사하기 때문에, 전원 공급 장치의 스위칭 주파수는 2.488MHz 클록으로 동기화되어야 한다. 이러한 전원 공급 장치에 사용되는 전통적인 마그네틱 코어 소재는 이런 레벨일 때 포화되므로 마그네틱 코어 대신에 에어 코어 인덕터를 사용해야 한다. 그렇지만 인덕터는 어떠한 강자성 코어 소재를 갖지 않으므로 에어 코어 기법은 인덕턴스 값이 아주 낮다.

LM5140-Q1은 자동차 등급 듀얼 채널 동기식 벅 컨트롤러로서 MRI 전원 공급 장치에 적합한 솔루션이다. MRI 애플리케이션용으로 적합한 LM5140-Q1은 최대 2.6MHz의 외부 클록으로 동기화할 수 특징을 가지고 있다.

LM5140-Q1은 자동차 이외의 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있는 특성들을 갖추고 있다. 이 디바이스는 2.488MHz로 동작하기 때문에 MRI 전원 공급 장치에 사용이 적합하다.

MRI 인덕터 설계 단계
MRI 전원 공급 장치에 필요한 인덕턴스는 공식 1에서 보는 것처럼 스위칭 주파수에 비례한다:

이 공식에서 L은 인덕턴스(mH), VOUT은 출력 전압, ΔI는 인덕터 리플 전류, FSW는 스위칭 주파수 그리고 D는 듀티 사이클이다.

필요한 인덕턴스를 계산한 다음, 공식 2를 사용해서 에어 코어 인덕터 크기를 계산할 수 있다:

이 공식에서, L은 인덕턴스(µH), d는 코일 직경(인치), I는 코일 길이(인치) 그리고 n은 권선 수이다.

공식 1과 2를 보면, 스위칭 주파수가 높을수록 인덕턴스 값이 낮아진다는 것을 알 수 있다. 인덕턴스 값이 낮으면 더 작은 에어 코어 인덕터를 사용할 수 있다.

LM5140-Q1 대신 LM5141 컨트롤러를 사용할 수도 있다. LM5141LM5140-Q1과 동일한 기능의 상업용 단일 채널 제품이다.

표 1은 MRI 장비의 전원 공급 장치 요구 예시이다. 가장 높은 전원 레일은 48V (공칭) 입력으로 12V/20.5A이다. MOSFET은 RDS(ON)과 스위칭 손실 때문에 열 관리를 까다롭게 만든다. 2.488MHz로 동작할 때 스위칭 손실이 MOSFET 손실의 대부분을 차지한다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 MOSFET 대신에 갈륨 나이트라이드(GaN) FET을 사용할 수 있다. GaN FET은 MOSFET에 비해서 훨씬 더 향상된 효율을 제공한다. 역 복구를 거의 하지 않고, RDS(ON)이 더 낮고, 게이트 전하(QG)가 더 낮으므로, 손실을 보다 관리하기 쉬운 수준으로 낮춰준다. GaN FET은 상당한 게이트 구동 능력을 필요로 하므로 LM5113 같은 GaN FET 드라이버를 필요로 한다.

VIN (V) FSW (MHz) VOUT (V) IOUT (A)
46-50 2.488 3.3 7.2
46-50 2.488 5 0.6
46-50 2.488 8 20.5
46-50 2.488 12 20.5
46-50 2.488 15 2.4
46-50 2.488 -8 15.84
46-50 2.488 -15 15.84

MRI 애플리케이션의 또 다른 까다로운 설계 요구는 높은 출력 전류로 음의 출력 전압을 필요로 한다는 것이다. 표 1에서 알 수 있듯 MRI 인버팅 벅-부스트 전원으로서 48V 입력으로 15.84A에서 -15V 및 -8V를 필요로 한다. 이러한 인버팅 벅-부스트 토폴로지 전달 함수(공식 3)에서는 LM5140-Q1이 VIN + VOUT = 50VMAX + 15V = 65V를 견딜 수 있어야 한다.

LM5140-Q1은 65V(70V 절대 최대) 입력 전압으로 동작할 수 있으므로 과전압 스트레스의 위험성을 극복할 수 있다.

맺음말
MRI 애플리케이션용으로 LM5140-Q1 컨트롤러의 가장 중요한 기능은 2.488MHz로 동기화할 수 있다는 것이다. 그러므로 에어 코어 인덕터의 크기를 줄이고 스위치 모드 전원 공급 장치의 스위칭 주파수를 MRI 장비의 민감한 대역 바깥에 오도록 할 수 있다. 그리하여 MRI 장비로 측정된 신호를 정확하게 처리할 수 있어 결과적으로 고품질의 영상을 얻을 수 있다. TI는 MRI 시스템 및 장비 업체들을 위한 연산 증폭기, DSP, 다채널 고속 및 저속 데이터 컨버터, 클록 분배, 인터페이스, 전원 관리를 비롯한 다양한 제품들을 제공한다.