CN109567723A - 用于患者隔离屏障的高速数据转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种转换器，其包括具有输入和输出的基板，该输入可连接到医疗电气设备的一个部分，该输出可连接到医疗电气设备的另一部分。输入接地系统和与输入接地系统电气隔离的输出接地系统分别为输入信号和输出信号提供连续的返回路径。转换器包括电连接到输入的初级绕组、电连接到输出的次级绕组以及利用磁场耦合将数据从初级绕组传输到次级绕组的芯。初级绕组的中间部分和次级绕组的中间部分围绕芯缠绕并扭绞在一起。初级绕组的其他部分彼此扭绞，而次级绕组的其他部分彼此扭绞。

Description

用于患者隔离屏障的高速数据转换器

技术领域

本发明总体涉及用于例如医疗电气器材和医疗电气系统的通信转换器领域。更具体地，本发明涉及一种转换器装置，其用于在提供穿过隔离屏障的高速、高频数据传输的同时保护器材和个人免受电击。

背景技术

对于医疗器材和系统，对基本安全性、本质性能和电磁兼容性有严格的要求。国际电工委员会60601(此处为“IEC60601”；相当于EN60601)是一系列标准，它们为医疗电气器材建立了基准，其中符合这些标准是许多国家医疗器材商业化的先决条件。根据IEC60601-1，医疗电气器材被定义为具有应用部件、或者向患者传输能量或从患者传输能量、或者检测向患者或从患者的这种能量传输并且设有不多于一个的与特定供电干线的连接且旨在用于诊断、治疗或监测患者的任一电气器材。

医疗电气装置或系统的一个示例是内窥镜视频系统。内窥镜视频系统现在与普通外科手术中的内窥镜一起使用。例如，内窥镜可以是无源光学装置，摄像头可以可释放地附接在该无源光学装置上。摄像头包含电子电路，该电子电路包括电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。脐带将摄像头连接到视频处理支持单元，该视频处理支持单元从商用电力线获得运行功率，提供地参考的视频输出。诸如IEC60601-1的安全性规程要求在摄像头之间提供电气隔离，以便与患者和处理电子设备进行物理接触。

虽然通信转换器本身不是医疗设备，因此不直接被IEC60601-1标准所涵盖，但它们仍然是医疗器材和医疗系统(例如内窥镜视频系统)的设计和操作的组成部分。通信转换器提供一个电路与另一个电路的DC(直流)电气隔离、阻抗变换、共模信号抑制和安全绝缘屏障，以满足安全要求。转换器还应具有低插入损耗和高回波损耗，以便使发射功率最大化并使发射信号带宽上的信道回波效应最小化。

对于现有技术的转换器，当试图实现高速或高频数据传输速率时，难以满足电气隔离和安全绝缘屏障的要求。一些现有技术转换器能够满足IEC60601-1中提出的隔离屏障要求，但不能设计成提供高数据速率带宽，例如用于传输高分辨率视频数据(例如4K分辨率视频/图像)。该缺点导致将这种转换器的使用限制于低数据速率或中数据速率应用，或者替代地，不利地限制包含现有技术转换器的电气器材或系统的传输速度。随着通信技术的进步和发展，越来越多的医疗应用可能需要1200MHz或更高的信号带宽。然而，这些现有技术的转换器不适合这种高频应用。

其他传统转换器可以设计用于更高的数据传输速率。这种转换器经常用于RF应用和通过横向电磁模式而不是通过磁通量的耦合来传输电磁能量。然而，这些传统转换器不能满足IEC60601-1中规定的隔离屏障要求，并且具有较差的低频共模抑制性能。传统的转换器不提供高压电气隔离，因此在医疗器材或系统中使用是不可接受的，因为它们可能造成电击危险。

因此，本领域需要一种改进的转换器，其能够提供高频数据传输，同时提供(或超过)医疗电气器材和医疗电气系统所需的足够的电气隔离，诸如由安全标准(例如EN/IEC60601-1)规定的电气隔离。

发明内容

本教导解决了在此所提出的需求以及进一步的和其他的需求和优点，其阐明了下面描述的解决方案和优点。

本教导的目的是弥补与现有技术转换器相关的以上缺点和问题。

本教导的另一目的是提供一种转换器，其配置用于限定的带宽或带宽范围，并且还在医疗电气设备或系统的两个部分之间具有足够的电流隔离，如由IEC60601-1(EN60601-1)标准所定义的电流隔离。

本发明的一个目的是提供一种转换器，其穿过隔离屏障传输高频数据，该隔离屏障根据IEC60601-1(EN60601-1)标准使医疗电气设备或系统的两个部分电气隔离。

本教导的另一目的是创建一种转换器，其在设备主板的隔离和非隔离部分之间提供接地隔离。

本发明的又一目的是提供一种转换器，其具有低于规定极限的插入损耗和高于规定极限的回波损耗，以满足或超过用于医疗电气器材或医疗电气系统的、由IEC60601-1(EN60601-1)所要求的基本性能特性。

本发明的另一目的是提供一种转换器，其具有在电气设备的两个部分之间进行高频数据传输和电流隔离的能力，并且防止或衰减不想要的场噪声、静电放电(ESD)、电快速瞬变脉冲群(EFT)、浪涌瞬变和/或串扰经过隔离屏障。转换器应尽量减少数据完整性的任何损失。

本教导的再一目的是提供一种转换器，其满足或超过IEC60601-1(EN60601-1)标准针对医疗电气器材和医疗电气系统所设立的要求。

本教导的这些和其他目的通过提供一种转换器或转换器装置实现，所述转换器或转换器装置包括具有输入侧和输出侧的基板，输入侧可连接到医疗电气设备的一个部分，输出侧可连接到医疗电气设备的另一部分。基板具有输入接地系统和与输入接地系统电气隔离的输出接地系统。输入接地系统和输出接地系统分别为输入信号和输出信号提供独立的连续返回路径。转换器还包括安装至基板的磁芯，以及初级绕组和次级绕组。初级绕组具有连接到输入侧的正极焊盘和负极焊盘的第一初级端和第二初级端，其中初级绕组具有围绕芯缠绕的中间部分、在第一初级端与中间部分之间的前部和在第二初级端与中间部分之间的后部。次级绕组具有连接到输出侧的正极焊盘和负极焊盘的第一次级端和第二次级端，其中次级绕组具有围绕芯缠绕的中间部分、在第一次级端与中间部分之间的前部和在第二次级端与中间部分之间的后部。芯配置为使用磁场耦合将数据从初级绕组传输到次级绕组。初级绕组的中间部分和次级绕组的中间部分扭绞在一起。此外，初级绕组的前部和后部扭绞在一起，而次级绕组的前部和后部扭绞在一起。

本教导还提供了一种转换器或转换器装置，其包括基板，该基板由彼此堆叠的多个层组成。这些层包括顶层、底层和布置在顶层和底层之间的多个中间层。所有层在输入侧和输出侧之间提供多壕沟电气隔离。基板具有输入接地系统和输出接地系统，输出接地系统与输入接地系统电气隔离，其中输入接地系统和输出接地系统分别为输入信号和输出信号提供连续的返回路径。基板的输入侧在顶层中具有正极焊盘和负极焊盘以及在底层中具有正极连接端子和负极连接端子。正极焊盘和负极焊盘通过将接入部件垂直地互连而分别电连接到正极连接端子和负极连接端子。类似地，基板的输出侧在顶层中具有正极焊盘和负极焊盘以及在底层中具有正极连接端子和负极连接端子，其中输出侧的正极焊盘和负极焊盘通过将接入部件垂直地互连而分别电连接到输出侧的正极连接端子和负极连接端子。输入侧的连接端子可连接到医疗电气设备的一个部分，输出侧的连接端子可连接到医疗电气设备的另一部分。转换器还包括安装在基板的顶层上的磁芯，其中芯有助于电气隔离医疗电气设备的两个部分。芯本身也与两个部分电气隔离。初级绕组具有连接到输入侧的正极焊盘和负极焊盘的第一初级端和第二初级端。初级绕组具有围绕芯缠绕的中间部分、在第一初级端和中间部分之间的前部以及第二初级端和中间部分之间的后部。次级绕组具有连接到输出侧的正极焊盘和负极焊盘的第一次级端和第二次级端。次级绕组具有围绕芯缠绕的中间部分、在第一次级端和中间部分之间的前部以及在第二次级端和中间部分之间的后部。芯配置为使用磁场耦合将数据从初级绕组传输到次级绕组。另外，初级绕组的中间部分和次级绕组的中间部分扭绞在一起。基板、芯、初级绕组和次级绕组的布置提供了在医疗电气设备的两个部分之间的绝缘屏障。

利用上述配置，根据本教导的转换器或转换器器材提供在医疗设备的两个部分之间的电气隔离，其符合或超过EN/IEC60601-1对患者隔离屏障的要求。例如，转换器能够在设备的两个部分之间保持4000V至4500VAC之间的电气隔离至少一分钟的持续时间。它还可以在设备的两个部分之间提供至少2.5ms持续时间的5000V DC电气隔离。转换器允许在越过隔离屏障传递高速数据的同时的带宽控制技术。转换器的另一有利方面是它衰减或防止不需要的脉冲越过隔离屏障。此外，转换器提供在经过隔离屏障的同时在转换器输入和输出侧的阻抗控制技术，隔离屏障隔离并分离输入侧和输出侧的返回路径。

转换器提供、供应和/或实现的其他示例性电气规格和特性包括300MHz至3000MHz的工作带宽以及在带宽范围内排除或衰减不想要的噪声的能力。例如，转换器在工作频率内的插入损耗为9.0dB。转换器的回波损耗例如在工作频率内为4.0dB。根据本教导的变换器可以传输从大约100Mbps到6Gbps的数据。

通过以下结合附图的详细描述，本发明的其他特征和方面将变得明显，附图通过示例的方式示出了根据本发明的实施例的特征。发明内容并非旨在限制本发明的范围，本发明的范围仅由所附的权利要求书限定。

附图说明

图1是根据本教导的转换器或转换器装置的俯视图，其中转换器或转换器装置可以集成或实施在医疗器材或医疗系统中；

图2是形成图1的转换器或转换器装置的基板的俯视图；

图3是图1的转换器或转换器装置的局部分解图，其中基板包括多个层并且芯安装在基板的顶层上；

图4a至4f是构成图1的转换器或转换器装置的基板的各种层的平面图；

图5是形成图1的转换器或转换器装置的基板的分解图；

图6是形成图1的转换器或转换器装置的芯的立体图；

图7是图1的转换器或转换器装置的初级和次级绕组的导线布置的示意图；

图8是图1的转换器或转换器装置的示意图，其集成或实施在医疗器材或系统中。

应该理解，附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。

具体实施方式

在下文中参考附图更全面地描述本教导，在附图中示出了本发明的实施例。以下描述通过示例而非通过限制本教导的原理来说明本教导。

已经用或多或少关于结构特征的语言描述了本教导。然而，应理解，本教导不限于所示和所描述的具体特征，因为在此公开的装置包括使本教导付诸实施的优选方式。

图1示出了根据本教导的转换器或转换器装置10的俯视图。转换器10包括基本平面的基板12，基板具有上表面14和相对的下表面16，如在图2中所示。基板12由多个基本上彼此平行取向的层形成。在一些实施例中，基板是电路板等。虽然这里将基板描述为电路板，但是本领域技术人员将理解，任一类型的晶片基板也在本教导的范围内。转换器10还包括芯30和部分被芯包围的绕组60、70。如在图1中所示的基板、芯和绕组的布置创建了一种转换器，其被配置为在300MHz至3.00GHz的示例性带宽范围内传输高频数据，同时提供医疗器材和医疗系统所需的电气隔离和绝缘屏障特性。

图2至3更详细示出了图1的基板12。基板具有设计结构，其为转换器的整个指定带宽提供信号完整性，并且还提供足够的电气隔离以超过安全标准(例如EN/IEC60601-1)的患者隔离屏障要求。基板12包括以基本彼此平行的关系彼此固定的多个层。每层具有上表面和下表面，其中相邻层的平面表面基本上彼此齐平。顶层18具有上平面表面，该上平面表面构成基板12的上表面14。基板的下表面16由底层20的下平面表面形成。布置在顶层18和底层20之间的中间层被配置为接地层，其提供足够的电气隔离以超过IEC60601-1标准，同时保持接地连续性和转换器的输入侧和输出侧的单独返回路径。特别地，图3示出了基板12包括四个中间层22、24、26、28。尽管关于具有四个中间层的基板12描述了该实施例，但是本领域技术人员将理解包括任何数量中间层的基板都在本教导的范围内。例如，在顶层和底层之间可以存在多于四个的中间层。然而，在其他实施例中，可以存在少至两个或三个中间层。通过中间层的配置，基板实现了所需的对于医疗器材和医疗系统必要的电气隔离屏障和接地连续性。基板的层18-28可包括例如具有低热膨胀系数的绝缘材料。这允许基板承受例如180℃的热点温度。绝缘材料可具有介于1000和2000V/密耳(1密耳＝1/1000英寸)之间的介电强度和低介电常数(例如4.0-5.0)。因此，绝缘材料使层之间的电容最小化，并且进而减小在基板层中实现的任何磁性部件的寄生电容。

基板12具有用于转换器10的输入侧和输出侧的双接地系统。如在图2中所示，接地网络80被配置用于转换器的输入侧，而转换器的输出侧具有接地网络81。接地网络80由基板的每个层中的多个接地平面形成。特别地，接地网络80包括顶层18中的接地平面80a(图4a)、第二层22中的接地平面80b(图4b)、第三层24中的接地平面80c(图4c)、第四层26中的接地平面80d(图4d)、第五层28中的接地平面80e(图4e)以及底层20中的接地平面80f(图4f)。在类似方面，用于转换器输出侧的接地网络81包括每个基板层中的接地平面，其包括顶层18中的接地平面81a(图4a)、第二层22中的接地平面81b(图4b)、第三层24中的接地面81c(图4c)、第四层26中的接地面81d(图4d)、第五层28中的接地面81e(图4e)和底层20中的接地平面81f(图4f)。设置在基板12中的这种双接地系统使转换器的输入侧/部分和输出侧/部分具有它们自己的从基板的上表面14到下表面16的连续的返回路径。设计每层中的接地平面的形状和尺寸，使得满足患者隔离屏障(EN/IEC60601-1)的爬电距离和间隙要求。例如，顶层18上的接地平面80a和81a具有类似字母C和向后的C的一般形状。接地平面80a因此部分地围绕导电焊盘46、48。如在图4a中所示，接地平面80a不在导电焊盘的右侧延伸，在此处初级绕组60的剥离端焊接到焊盘(图1)。相同的配置适用于接地平面81a，其不在导电焊盘50、52的左侧延伸，在此处次级绕组70的剥离端焊接到焊盘。与接地平面80a和81a不同，接地平面80b至80f和81b至81f包括布置在相应基板层的区域中的接地路径，其与绕组焊接到相应导电焊盘的位置垂直对齐。层20-28中的每个接地平面具有特定的尺寸和形状，以满足爬电距离、间隙和隔离屏障(EN/IEC60601-1)的要求。图4a-4f示出由接地平面80a-80f形成的接地网络80建立输入信号的返回路径延续，没有中断。类似地，由接地平面81a-81f形成的接地网络81为没有中断的输出信号建立返回路径连续。为输入信号和输出信号提供独立的连续返回路径是本教导的关键特征。

基板12的双接地系统的另一主要特征是接地网络80和81彼此电气隔离。基板具有两个部分(即输入侧、输出侧)，它们由动态多壕沟技术彼此隔离，由此满足隔离屏障要求。通过使接地网络彼此隔离，接地网络80可以被配置为起作用并且与医疗设备的隔离部分相对应，而接地网络81被配置为起作用并且与设备的非隔离部分相对应，或反之亦然。通过使用多壕沟技术进行分离，实现接地网络之间的电气隔离。在顶层18中，接地平面80a和81a布置在基板12的相对端上，并且通过无铜壕沟彼此分开，即，顶层的中间区域具有非导电材料(图4a)。中间层22-28和底层20也具有壕沟以保持整个基板中的接地网络80和81的电气隔离。因此，接地网络80和81为两个隔离信号(例如输入和输出)提供两个隔离的返回路径。接地网络80结合初级绕组60保持输入信号完整性，并且与输入侧上的导电焊盘46、48结合保持输入信号完整性。类似地，接地网络81结合次级绕组70保持输出信号完整性，并结合输出侧上的导电焊盘50、52保持输出信号完整性。

基板12，如在图2-3和4a中所示，包括两个彼此电气隔离的阻抗控制部分。输入部分或输入侧42布置在基板12的顶层18上，并且构造有正极导电焊盘48和负极导电焊盘46。焊盘48、46被配置为连接(例如焊接)到初级绕组60的端部。在基板的相对侧上，在顶层18上设有输出部分或输出侧44。输出侧44的正极导电焊盘52和负极导电焊盘50连接(例如焊接)到次级绕组70的端部。初级和次级绕组将在下面做更详细的描述。基板的输入侧和输出侧42、44设计成使得它们满足患者隔离屏障(EN/IEC60601-1)的爬电距离和间隙要求。

在图5中，每个导电焊盘46-52具有垂直互连接入件54，其从顶层18通过中间层22、24、26、28延伸到底层20。图5仅示出了基板12的一侧，具体地说是具有输入侧42的焊盘46、48的侧面，输出侧44的焊盘50、52在从顶层18延伸至底层20的垂直互连接入件54方面具有相同的配置。每个垂直互连接入件54的一端电连接到相应的导电焊盘，另一端电连接到布置在底层20中的端子55、56、57、58(图4f)。具体地，第一垂直互连接入件将正极焊盘48电连接到正极输入端子56，而第二垂直互连接入件将负极焊盘46电连接到负极输入端子55。第三垂直互连接入件将正极焊盘52电连接到正极输出端子58，而第四垂直互连接入件将负极焊盘50电连接到负极输出端子57。在优选实施例中，垂直互连部54相对于基板的层正交地延伸。在其他实施例中，除垂直互连接入件之外的不同形式的电连接可用于将基板的顶层18上的导电焊盘电连接到底层20上的输入/输出端子。输入/输出端子55-58被配置成分别连接到医疗设备的主板或一个或多个其他基板(例如印刷电路板)。鉴于导电焊盘46、48、50和52提供到初级绕组60和次级绕组70的双绞线的阻抗受控连接，输入/输出端子55-58提供到医疗设备的母板的阻抗受控连接。。

返回参考图2，以示例性布置示出了接地网络80和81、输入侧42和输出侧44。这些基板部件的位置、尺寸和形状有助于满足和/或超过EN/IEC60601-1中的爬电距离和间隙要求。在上基板表面14的中心示出的盒子限定了芯30安装到基板的区域。在用于芯安装的区域与导电焊盘46-52之间的距离足以满足爬电距离和间隙要求。在用于芯安装的区域与输出部分44的焊盘50、52(或输入部分42的焊盘46、48)之间的距离例如约为3.5mm。图2还绘出了沿输入侧和输出侧的两个分界线。分界线限定了初级绕组60的剥离端和次级绕组70的剥离端可以延伸的极限。例如，剥离初级绕组60，即，在其端部(该端部连接到输入侧42的焊盘46、48)朝向芯30移除绝缘套管，但不超过左分界线。次级绕组70在其端部朝向芯30剥离，但不经过右分界线。剥线的位置极限支持转换器满足或超过爬电距离和间隙要求。

如在图1中所示，转换器10形成有初级绕组60和次级绕组70.每个绕组包括导体，如铜线。然而，其他类型的导体可以用作绕组，并且在本教导的范围内。初级绕组和次级绕组的特点是具有足够的绝缘性，以满足医疗电气设备的安全标准，诸如EN/IEC60601-1中的绝缘绕组线最小测试要求。例如，绕组可包括含氟聚合物绝缘体。每个绕组的绝缘具有至少1500Vrms的介电耐受强度。初级绕组60和次级绕组70都包括双绞线(下面进一步详细讨论)，其可以提供持续一分钟的4500V至5000V的AC电气隔离。绕组还适用于提供5000V DC电气隔离，持续时间为2.5ms。对于初级绕组60和次级绕组70，当绕组被扭曲时，产生100欧姆的差分阻抗。更具体地说，初级绕组60的扭绞在一起的部分通过调节扭绞密度或扭绞率，即每单位长度的扭绞数来保持100欧姆的差分阻抗。次级绕组70的扭绞在一起的部分也通过调节扭绞密度来保持100欧姆的差分阻抗。相反，初级绕组60和次级绕组70的未扭绞在一起的相应部分通过相对于接地网络80和81的配置调整基板来保持100欧姆的差分阻抗。初级和次级绕组适于使用电耦合数据来传输转换器的限定带宽的高频部分。

转换器10还包括磁芯30(图1和图3)。芯30通常由含铁材料形成。使用例如非导电粘合剂将芯30安装并装配在基板12的顶层18上。因此，基板和芯之间不可能导电。芯30适于将低频数据从输入线(例如初级绕组)传输到输出线(例如次级绕组)。也就是说，芯可以使用磁场数据传输技术在转换器的限定带宽的所需低频部分(例如300-500MHz)传输数据。在一些实施例中，芯30具有可以在较低频率(例如100MHz)开始的有限带宽，而在其他实施例中，芯具有可以在较高频率开始的有限带宽。此外，芯配置成使得它不会将超出转换器的限定带宽范围的、不想要的场噪声、静电放电(ESD)、电快速瞬变(EFT)和浪涌瞬态的低频信号传输到次级绕组。

在图6中，示出了在初级绕组60和次级绕组70缠绕在其上之前的芯30。在一些实施例中，芯30具有双目或壳型结构，其中初级绕组60和次级绕组70在形成围绕绕组的壳的芯(磁路)之内通过。芯具有三个分肢或腿，包括中央腿32和两个侧腿33、34，两个侧腿33、34通过两个孔或通道35、36与中央腿间隔开。绕组围绕中央腿32环绕一次或多次，并且通过两个侧腿33、34完成磁通路径。中央腿32承载全部交互磁通，而形成平行磁路的一部分的侧腿承载总磁通量的一半。替代的芯结构(例如芯类型)可以用于芯30，以便提供转换器的限定带宽的所需低频部分。另外，在一些实施例中，至少一层聚对二甲苯涂层38施加在芯上，包括在通道35和36内。涂层有助于在转换器的寿命期间在绕组和芯之间提供更好的隔离。在其他实施例中，将两层或更多层聚对二甲苯涂层38施加到芯上。然而，应注意，绕组60、70配置有足够的绝缘，使得芯30可以不需要任何聚对二甲苯涂层。在其他实施例中，可以使用不同的绝缘材料(有机或无机)、诸如基于硅树脂的绝缘体来涂覆芯。

在一些实施例中，初级绕组60和次级绕组70各自仅配置有围绕芯30的一圈。也就是说，两个绕组仅围绕中央腿32环绕一次(图1和图7)。然而，在其他实施例中，初级绕组和次级绕组都绕中央腿32环绕多次，即，绕组围绕芯多于一圈。初级绕组和次级绕组也可以配置成具有相同的匝数或者可选地具有不同的匝数。初级绕组60的第一端62连接(例如焊接)到输入侧42的正极焊盘48，相对的第二端64连接(例如焊接)到输入侧的负极焊盘46。次级绕组70的第一端72连接(例如焊接)到输出侧44的正极焊盘52。相对的第二端74连接(例如焊接)到输出侧44的负极焊盘50。

为了实现高频数据传输，初级绕组和次级绕组具有特定的导线配置(例如扭绞布置)。图7示出了具有单环绕组配置的转换器，以及初级绕组的扭绞和次级绕组的扭绞。注意，图7的实施例是示例性的，并且本教导不限于此。扭绞的初级绕组和次级绕组的数量可以小于一绕或多于一绕。穿过芯的初级绕组的数量也可以与穿过芯的次级绕组的数量不同。如在图7中所示，初级绕组60可由五个部分65、66、67、68和69识别。部分65和66表示在第一端62和中间部分67之间的初级绕组的段，所述中间部分位于或大约在第一端62和第二端64之间的中间，部分68和69表示在中间部分67和第二端64之间的初级绕组60的段。在类似的方面，次级绕组70被分成五个部分75、76、77、78和79。部分75和76表示次级绕组70的在第一端72和中间部分77之间的段，所述中间部分77位于或大致位于第一端72和第二端74之间的中间。部分78和79表示次级绕组70的在中间部分77和第二端74之间的段。

初级绕组60的第一端62连接到输入侧42的正极导电焊盘48，初级绕组60的第二端64连接到输入侧42的负极导电焊盘46。在优选实施例中，通过焊接产生第一端62和第二端64与正极和负极焊盘48、46的连接。如在图1中所示，初级绕组60的端部62、64被剥离并且没有被绝缘套管覆盖。次级绕组70的第一端72和第二端74也被剥离并焊接到输出侧44的正极导电焊盘52和负极导电焊盘50上。返回参考图7，初级绕组60(在部分66、67和68处)绕芯30的中央腿32环绕一次。类似地，次级绕组70(在部分76、77和78处)绕芯30的中央腿32环绕一次。然而，转换器的其他实施例可以配置成使得初级绕组60绕中央腿32环绕多次(例如2、3、4等圈)和/或次级绕组70绕中央腿32环绕多次。还应注意，穿过芯的初级绕组圈的数量可以不同于穿过芯的次级绕组圈的数量。

初级绕组60和次级绕组70各自包括特定的扭绞布置，这取决于相应的线的特殊部分。初级绕组60的与第一端62和第二端64相邻的部分65和69被扭绞在一起，使得它们类似像双绞线。同样，次级绕组70的与端部72、74相邻的部分75和79被扭绞在一起。然而，对于初级绕组和次级绕组的其余部分，两个绕组彼此扭绞。具体地，初级绕组60的部分66布置在芯的一个通道(即通道35)内，而部分67在通道35和通道36之间延伸，由此围绕中央腿32的一侧缠绕。初级绕组60的部分68布置在另一个芯通道(即通道36)内。次级绕组70具有布置在通道36内的部分76和布置在通道35内的部分78。如在图1和图7中所示，次级绕组的部分77定位在芯的与初级绕组的部分67相同的一侧上。初级绕组的部分66与次级绕组的部分78扭绞。此外，部分67和77扭绞在一起，部分68和76扭绞在一起。初级绕组的在部分68和69之间的部分(其布置在芯30的通道之外)也与次级绕组的在部分78和79之间的部分扭绞。然而，为了便于说明，图7未示出初级绕组和次级绕组的这种特殊扭绞。然而，在一些实施例中，初级绕组的在部分68和69之间的部分可以不与次级绕组的在部分78和79之间的部分扭绞。另外，其他实施例可以在初级绕组的部分67和次级绕组的部分77之间没有扭绞。上述初级绕组和次级绕组的独特扭绞有助于提供高频(例如大于500MHz)和高数据速率(例如100Mbps至6Gbps)的数据传输。

在初级绕组的部分65-69和次级绕组的部分75-79中的每个部分中的扭绞数和每单位长度(例如英寸)的扭绞数可以根据医疗设备或系统所需的通信规格而变化。初级绕组和次级绕组扭绞的部分的长度将影响在带宽的高频部分时的传输增益和相位。绞合线阻抗以及焊接至导电焊盘(在基板的顶层18上)的导线可能影响在较高带宽时的数据传输速率和噪声。作为示例，如在图1中所示，初级绕组60的部分65和69至少扭绞在一起三次。同样，次级绕组70的部分75和79包括至少三个扭绞。同样在芯的每个通道内，初级绕组和次级绕组可以被扭绞，从而存在一个或多个扭绞。关于部分67和77，初级绕组和次级绕组在图1中以半个扭绞布置。然而，在其他实施例中，部分67和77可包括一个完整的扭绞或多于一个的扭绞。

当初级绕组和次级绕组传导电流时，初级和次级绕组通过其磁通量通过转换器芯彼此磁耦合。结果，初级绕组、第二绕组，芯和安装芯的基板的组合形成转换器或转换器装置。

图8示出了结合、实现或集成到内窥镜系统110的相机控制单元160中的转换器或转换器装置10的示例。转换器用于提供高频数据传输，同时保持内窥镜系统110的两个部分之间的电气隔离。如图8所示，内窥镜系统110包括内窥镜124，内窥镜124具有部分地插入患者100中的轴120。内窥镜可包括用于连接光源的光端口128。内窥镜124可以连接到具有用户控制按钮154的可拆卸摄像头150，其中内窥镜和摄像头之间的通信是光学地执行的。缆线或脐带158将摄像头150连接到摄像机控制单元160，提供这些系统组件之间的通信。此外，相机控制单元160可以通过网络(例如因特网)通信地连接到监视器166或另一计算机。

当转换器或转换器装置安装、集成或实施到装置、诸如内窥镜系统110的摄像机控制单元160中时，转换器的输入侧/部分或输出侧/部分可以是CCU主板的隔离的一侧，而输出侧/部分或输入侧/部分可以是CCU主板的非隔离部分。这意味着本教导的转换器设计可以在两个方向上使用并且在两个方向上提供数据传输。

根据本教导的基板、芯、初级绕组和次级绕组的组合产生转换器或转换器装置，其提供超过EN/IEC60601-1中建立的安全标准的电气隔离。根据本教导的基板将初级绕组与次级绕组电气隔离。芯的绝缘涂层(例如聚对二甲苯涂层)增加了转换器的电气隔离。而且，初级绕组和次级绕组的导线具有绝缘，这增加了转换器的隔离特性。因此，基板、芯涂层和绕组的电绝缘配合以满足或超过医疗设备或系统所需的电气隔离，如EN/IEC60601-1中所规定的。除了提供患者隔离屏障之外，转换器或转换器装置还提供漏电保护(例如足够的爬电距离)和设备/系统(例如医疗设备、医疗系统等)的隔离部分与医疗装置/系统的非隔离部分之间的间隙。

根据本教导的转换器或转换器装置还提供设备/系统的隔离部分与设备/系统(例如医疗设备、医疗系统等)的非隔离部分之间的高数据速率通信。通过以下因素实现高数据速率：基板提供受控阻抗和信号完整性，用于通过基板和通过初级和次级绕组的焊接部分的数据传输；通过双绞线的电气数据传输；芯和绕组之间的磁数据耦合。设备主板的隔离部分或主板的非隔离部分的高频数据将从主板传输到转换器输入。高频数据将利用基板多级接地系统和共面路由通过微带路由传输，其控制和维持信号完整性以传递高频数据，同时还滤除非常高频率的不需要的噪声。

转换器或转换器装置的上述实施方式是紧凑的，因此可以实现或集成到任一类型的医疗设备或系统的电路中，尤其是用于强调最小化的医疗设备(例如内窥镜)。此外，如本文所述的转换器可以处理相对大量的热量，并且具有低寄生电容和漏电感。此外，转换器配置为处理高数据速率，如诸如HD(高清晰度)、UHD(超高清晰度)和4K分辨率视频的高分辨率视频所需要的，并穿过患者隔离屏障传输更多数据。随着高清技术的进步，医生和医疗公司希望医疗系统采用新技术并提供4K分辨率的高质量视频。反过来，这种更高的分辨率需要更高的数据速率。

本领域普通技术人员应该理解，转换器装置的不同配置是可能的。对于例如转换器装置的设计布局，在不脱离本教导的范围和精神的情况下，可以与图中所示的不同。

虽然上面已经根据具体实施例描述了本教导，但是应该理解，它们不限于那些公开的实施例。本发明所属领域的技术人员将想到许多修改和其他实施例，并且这些修改和其他实施例旨在被本公开和所附权利要求书所涵盖。本发明的范围旨在通过所附权利要求书的适当解释和结构及其合法等同物来确定，如本领域技术人员根据本说明书和附图中的公开内容所理解的。

Claims (24)

1.一种转换器，其包括：

具有输入侧和输出侧的基板，所述输入侧能连接到医疗电气设备的一个部分，所述输出侧能连接到医疗电气设备的另一部分，所述基板具有输入接地系统和与所述输入接地系统电气隔离的输出接地系统，所述输入接地系统和所述输出接地系统分别为输入信号和输出信号提供独立的连续返回路径；

磁的芯，所述芯安装到所述基板；

初级绕组，所述初级绕组具有连接到所述输入侧的正极焊盘和负极焊盘的第一初级端和第二初级端，所述初级绕组具有围绕所述芯缠绕的中间部分、在所述第一初级端与所述中间部分之间的前部和在所述第二初级端与所述中间部分之间的后部；

次级绕组，所述次级绕组具有连接到所述输出侧的正极焊盘和负极焊盘的第一次级端和第二次级端，所述次级绕组具有围绕所述芯缠绕的中间部分、在所述第一次级端与所述中间部分之间的前部和在所述第二次级端与所述中间部分之间的后部；

所述芯利用磁场耦合将数据从所述初级绕组传输到所述次级绕组；

其中，所述初级绕组的中间部分和所述次级绕组的中间部分扭绞在一起；以及

其中，所述初级绕组的前部和后部扭绞在一起，而所述次级绕组的前部和后部扭绞在一起。

2.根据权利要求1所述的转换器，其中，所述初级绕组和所述次级绕组被配置为利用电耦合数据传输来传输转换器带宽的高频部分。

3.根据权利要求1所述的转换器，其中，所述芯被配置为利用磁场耦合数据传输来传输转换器带宽的低部分。

4.根据权利要求1所述的转换器，其中，所述芯包括中央分肢和位于所述中央分肢的相对侧上的两个侧分肢，所述初级绕组和所述次级绕组的中间部分穿过在所述中央分肢和所述侧分肢之间的间隙围绕所述中央肢体缠绕。

5.根据权利要求4所述的转换器，其中，所述初级绕组和所述次级绕组各自围绕所述芯的中央分肢缠绕一次。

6.根据权利要求4所述的转换器，其中，所述初级绕组围绕所述芯缠绕多次，并且所述次级绕组围绕所述芯的中央分肢缠绕多次。

7.根据权利要求1所述的转换器，其中，所述初级绕组和所述次级绕组各自包括具有绝缘部的导体，所述导体被配置为提供持续至少2.5ms的5000V DC电气隔离。

8.根据权利要求7所述的转换器，其中，所述初级绕组的前部和后部的双绞线以及所述次级绕组的前部和后部的双绞线各自提供持续至少1分钟的4500V AC电气隔离。

9.根据权利要求8所述的转换器，其中，所述初级绕组和所述次级绕组的扭绞提供100欧姆的差分阻抗。

10.根据权利要求9所述的转换器，其中，所述初级绕组和所述次级绕组的被扭绞的部分通过调节扭绞密度而保持基本上100欧姆的差分阻抗，所述初级绕组和所述次级绕组的未被扭绞的部分通过调整所述输入接地系统和所述输出接地系统而保持基本上100欧姆的差分阻抗。

11.根据权利要求7所述的转换器，其中，具有绝缘部的导体额定为具有1500Vrms的介电耐受强度。

12.根据权利要求7所述的转换器，其中，所述初级绕组的所述第一初级端和所述第二初级端剥去绝缘部，所述第一初级端和所述第二初级端焊接到所述输入侧的正极焊盘和负极焊盘，

其中，所述次级绕组的第一次级端和第二次级端剥去绝缘部，所述第一次级端和所述第二次级端焊接到所述输出侧的正极焊盘和负极焊盘；以及

其中，所述输入侧的焊盘和所述输出侧的焊盘分别提供与扭绞的初级绕组和扭绞的次级绕组的阻抗受控连接。

13.根据权利要求1所述的转换器，其中，所述基板包括形成所述基板的顶表面的顶层、形成所述基板的底表面的底层以及布置在所述底层和所述顶层之间的多个中间层，以及

其中，所述顶层、底层和中间层中的每一个都具有两个单独的接地平面以形成所述输入接地系统的一部分和所述输出接地系统的一部分，所述层包括多个壕沟，所述壕沟将所述输入接地系统的接地平面与所述输出接地系统的接地平面分开，以将输入的连续返回路径与输出的连续返回路径电气隔离。

14.根据权利要求13所述的转换器，其中，所述输入侧的正极焊盘和负极焊盘以及所述输出侧的正极焊盘和负极焊盘布置在所述基板的顶层上；

其中，所述基板的底层包括与所述输入侧相关联的两个输入连接端子和与所述输出侧相关联的两个输出连接端子；

其中，所述基板包括垂直互连接入部件，第一垂直互连接入部件将所述输入侧的正极焊盘连接到所述输入连接端子之一，第二垂直互连接入部件将所述输入侧的负极焊盘连接到所述输入连接端子之另一，第三垂直互连接入部件将所述输出侧的正极焊盘连接到所述输出连接端子之一，并且第四垂直互连接入部件将所述输出侧的负极焊盘连接到所述输出连接端子之另一；以及

其中，所述输入连接端子和输出连接端子提供到所述医疗电气设备的母板的两个不同部分的阻抗受控连接。

15.根据权利要求13所述的转换器，其中，所述层的多个壕沟基本上沿竖直轴线定位，所述竖直轴线垂直于所述基板的平面，所述芯安装在所述基板的顶表面上、在与所述竖直轴线相对应的位置处。

16.根据权利要求1所述的转换器，其中，所述芯具有至少两个聚对二甲苯涂层。

17.根据权利要求1所述的转换器，其中，所述芯、初级绕组和所述次级绕组被配置为以100Mbps和6Gbps之间的速率传输数据。

18.根据权利要求1所述的转换器，其中，所述基板、芯、初级绕组和次级绕组在所述医疗电气设备的多个部分之间提供隔离屏障，所述隔离屏障满足或超过IEC60601-1要求。

19.一种转换器，其包括：

基板，所述基板具有堆叠在彼此之上的多个层，所述层包括顶层、底层和布置在所述顶层和所述底层之间的多个中间层，所有的所述层提供在所述基板的输入侧和输出侧之间的多壕沟电气隔离，所述基板具有输入接地系统和与所述输入接地系统电气隔离的输出接地系统，所述输入接地系统和所述输出接地系统分别为输入信号和输出信号提供连续的返回路径；

输入侧，所述输入侧在所述顶层中具有正极焊盘和负极焊盘并且在所述底层中具有正极连接端子和负极连接端子，所述正极焊盘和所述负极焊盘分别由垂直互连接入部件电连接到所述正极连接端子和所述负极连接端子；

输出侧，所述输出侧在所述顶层中具有正极焊盘和负极焊盘并且在所述底层具有正极连接端子和负极连接端子，所述输出侧的正极焊盘和负极焊盘分别由垂直互连接入部件电连接到所述输出侧的正极连接端子和负连接端子；

所述输入侧的连接端子能连接到医疗电气设备的一个部分，并且所述输出侧的连接端子能连接到所述医疗电气设备的另一部分；

磁的芯，所述芯安装在所述基板的顶层上；

初级绕组，所述初级绕组具有连接到所述输入侧的正极焊盘和负极焊盘的第一初级端和第二初级端，所述初级绕组具有围绕所述芯缠绕的中间部分、在所述第一初级端和所述中间部分之间的前部以及在所述第二初级端和所述中间部分之间的后部；

次级绕组，所述次级绕组具有连接到所述输出侧的正极焊盘和负极焊盘的第一次级端和第二次级端，所述次级绕组具有围绕所述芯缠绕的中间部分、在所述第一次级端和所述中间部分之间的前部以及在所述第二次级端和所述中间部分之间的后部；

所述芯利用磁场耦合将数据从所述初级绕组传输到所述次级绕组；

其中，所述初级绕组的中间部分和所述次级绕组的中间部分扭绞在一起；以及

其中，所述基板、芯、初级绕组和次级绕组在医疗电气设备的部分之间提供隔离屏障。

20.根据权利要求19所述的转换器，其中，所述初级绕组的前部和后部被扭绞在一起，所述次级绕组的前部和后部被扭绞在一起。

21.根据权利要求19所述的转换器，其中，所述输入侧和所述输出侧位于所述基板的相对侧上，所述芯定位在所述输入侧和所述输出侧之间。

22.根据权利要求19所述的转换器，其中，所述芯是双目型芯。

23.根据权利要求19所述的转换器，其中，所述初级绕组和所述次级绕组被配置为利用电气耦合数据传输来传输转换器带宽的高频部分，并且所述芯被配置为利用磁场耦合数据传输来传输转换器带宽的低部分。

24.根据权利要求1所述的转换器，其中，所述芯、初级绕组和所述次级绕组被配置为以100Mbps和6Gbps之间的速率传输数据。