Evaluation of switch-mode power supplies in a magnetoencephalography system
Holopainen, Lasse (2023)
Diplomityö
2023
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023040334603
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023040334603
Tiivistelmä
The Megin Triux Neo, an MEG system, is a biomedical diagnostic and research instrument for locating and timing bioelectric activity inside the brain. It uses superconducting sensors, submerged in liquid helium to measure the magnetic field changes outside the subject’s head, caused by the brain’s neuronal electric currents.
This study investigates the feasibility of replacing the original linear power supplies of the MEG system with switch-mode power supplies. The MEG system, measuring the weak femtotesla-level magnetic fields, is also sensitive for electromagnetic disturbances, so the switching related noise in the measurement data needs to be examined carefully.
A prototype switch-mode power supply unit is assembled with commercially available SMPS modules, inside the existing linear power supply unit enclosure, with original connectors, to fit the prototype unit in place of the existing one in the system.
Both the original and the prototype power supplies are tested to compare the nominal characteristics, and to distinguish power supply originated from the other sources of noise. The power supplies are first bench tested with resistive loads, then presentable active loads, and finally with empty-room MEG measurements with a fully functional system.
The tests with the SMPS unit did not reveal any obvious performance degradation. The overall noise in the MEG measurement remained at the same level. The tests were limited to the digital electronics of the system and should be extended to the analog front end before the switch-mode power supplies can be ultimately determined feasible in this application. Megin Triux neo, MEG-järjestelmä, on biolääketieteellinen mittausjärjestelmä, joka hyödyntää nestemäiseen heliumiin upotettuja suprajohtavia sensoreita aivojen sähköisen toiminnan mittaamiseen pään ulkopuolelta. Järjestelmää käytetään lääketieteen diagnostiikassa sekä perustieteellisessä tutkimuksessa.
Tässä diplomityössä tutkitaan mahdollisuutta korvata järjestelmän käyttämiä lineaarisia tehonlähteitä hakkuritehonlähteillä. MEG-järjestelmä, joka mittaa hyvin heikkoja femtotesla-tasoisia magneettikenttiä, on herkkä myös sähkömagneettisille häiriöille, joten mahdolliset hakkureiden aiheuttamat häiriöt mittausdatassa on tutkittava huolellisesti.
Hakkuritehonlähteitä arvioidaan kokoamalla kaupallisesti saatavilla olevista hakkurimoduuleista koekappale, joka hyödyntää olemassa olevan tehonlähteen koteloa ja liittimiä, jotta sitä voidaan testata järjestelmässä olemassa olevan tehonlähteen tilalla.
Sekä olemassa olevan että koekappaleen jännitelähtöjen laatua arvioidaan, jotta voidaan erottaa tehonlähteestä aiheutuvat häiriöt ulkoisista häiriöistä. Tehonlähteitä arvioidaan ensin vastuskuormalla, jonka jälkeen käytetään todenmukaista aktiivista kuormaa, ja lopuksi tehdään tyhjän huoneen MEG-kohinamittauksia kokonaisella järjestelmällä.
Tehonlähteiden arvioinnissa ei tullut esiin merkittävää laadun heikentymistä. Häiriöiden kokonaisarvio MEG-mittauksissa pysyi samalla tasolla. Arviointi rajoittui digitaaliseen tiedonkeruuelektroniikkaan ja arviointi tulisi laajentaa myös analogiseen etuasteeseen, jotta voidaan päästä varmuuteen siitä, soveltuvatko hakkuritehonlähteet tähän käyttökohteeseen.
This study investigates the feasibility of replacing the original linear power supplies of the MEG system with switch-mode power supplies. The MEG system, measuring the weak femtotesla-level magnetic fields, is also sensitive for electromagnetic disturbances, so the switching related noise in the measurement data needs to be examined carefully.
A prototype switch-mode power supply unit is assembled with commercially available SMPS modules, inside the existing linear power supply unit enclosure, with original connectors, to fit the prototype unit in place of the existing one in the system.
Both the original and the prototype power supplies are tested to compare the nominal characteristics, and to distinguish power supply originated from the other sources of noise. The power supplies are first bench tested with resistive loads, then presentable active loads, and finally with empty-room MEG measurements with a fully functional system.
The tests with the SMPS unit did not reveal any obvious performance degradation. The overall noise in the MEG measurement remained at the same level. The tests were limited to the digital electronics of the system and should be extended to the analog front end before the switch-mode power supplies can be ultimately determined feasible in this application.
Tässä diplomityössä tutkitaan mahdollisuutta korvata järjestelmän käyttämiä lineaarisia tehonlähteitä hakkuritehonlähteillä. MEG-järjestelmä, joka mittaa hyvin heikkoja femtotesla-tasoisia magneettikenttiä, on herkkä myös sähkömagneettisille häiriöille, joten mahdolliset hakkureiden aiheuttamat häiriöt mittausdatassa on tutkittava huolellisesti.
Hakkuritehonlähteitä arvioidaan kokoamalla kaupallisesti saatavilla olevista hakkurimoduuleista koekappale, joka hyödyntää olemassa olevan tehonlähteen koteloa ja liittimiä, jotta sitä voidaan testata järjestelmässä olemassa olevan tehonlähteen tilalla.
Sekä olemassa olevan että koekappaleen jännitelähtöjen laatua arvioidaan, jotta voidaan erottaa tehonlähteestä aiheutuvat häiriöt ulkoisista häiriöistä. Tehonlähteitä arvioidaan ensin vastuskuormalla, jonka jälkeen käytetään todenmukaista aktiivista kuormaa, ja lopuksi tehdään tyhjän huoneen MEG-kohinamittauksia kokonaisella järjestelmällä.
Tehonlähteiden arvioinnissa ei tullut esiin merkittävää laadun heikentymistä. Häiriöiden kokonaisarvio MEG-mittauksissa pysyi samalla tasolla. Arviointi rajoittui digitaaliseen tiedonkeruuelektroniikkaan ja arviointi tulisi laajentaa myös analogiseen etuasteeseen, jotta voidaan päästä varmuuteen siitä, soveltuvatko hakkuritehonlähteet tähän käyttökohteeseen.