내부 매칭 회로 PCB는 전원과 트랜스듀서의 활성 소자 사이의 중요한 인터페이스 역할을 합니다. 주요 중요성은 RF 전원 공급 장치의 출력 임피던스와 PZT(납 지르코네이트 티탄산염) 세라믹의 전기 임피던스를 엄격하게 정렬하는 데 있습니다. 이 정렬은 세라믹을 세 번째 고조파에서 구동하여 목표 주파수인 20 MHz를 달성하는 데 필수적이며, 에너지가 시스템으로 반사되지 않고 목표물로 전달되도록 합니다.
적절한 임피던스 매칭은 근본적으로 열 관리 및 수명 전략입니다. 특정 20 MHz 주파수에서 전기 에너지 전달을 최적화함으로써, 매칭 회로는 과도한 열을 발생하는 유해한 신호 반사를 최소화하여 HIFU 장비의 연속 작동 수명을 직접적으로 연장합니다.
효율적인 에너지 전달의 메커니즘
임피던스 간극 해소
내부 매칭 회로의 핵심 기능은 소스와 부하 간의 차이를 조정하는 것입니다. RF 전원 공급 장치와 PZT 세라믹은 본질적으로 다른 임피던스 특성을 가지고 있습니다.
이 간극을 해소하기 위한 특정 네트워크 설계 없이는 상당한 양의 전기 에너지가 세라믹으로 들어갈 수 없습니다. 매칭 회로는 전원 공급 장치에서 보이는 임피던스를 수정하여 트랜스듀서로의 전기 에너지 전달 효율을 극대화합니다.
세 번째 고조파 활용
이 특정 HIFU 애플리케이션에서 20 MHz 주파수를 달성하려면 미묘한 접근 방식이 필요합니다. 시스템은 단순히 기본 주파수에서 세라믹을 구동하는 것이 아닙니다.
대신, PCB 설계는 PZT 세라믹의 세 번째 고조파를 구체적으로 활용합니다. 매칭 네트워크는 애플리케이션에 필요한 고주파 20 MHz 출력을 효과적으로 생성하기 위해 이 고조파 모드로 정밀하게 조정되어야 합니다.
열 성능에 미치는 영향
신호 반사 최소화
임피던스가 일치하지 않으면 부하에서 흡수되지 않은 에너지가 소스로 반사됩니다. 고출력 초음파 시스템에서 이러한 신호 반사는 상당한 효율 손실을 의미합니다.
내부 매칭 회로는 이러한 반사를 크게 줄입니다. 이를 통해 RF 공급 장치에서 생성된 에너지가 전기 회로 내에서 무용지물로 반사되는 대신 실제로 음파로 변환되도록 합니다.
추가 열 발생 감소
반사된 에너지는 단순히 사라지지 않고 폐열로 소산됩니다. 이 "추가 열"은 전자 부품 및 트랜스듀서 어셈블리에 대한 주요 스트레스 요인입니다.
정밀한 매칭을 통해 반사를 제거함으로써 회로는 이러한 열 축적을 방지합니다. 이를 통해 작동 중 내부 부품이 더 시원하게 유지되며, 이는 고강도 시술 중 안정성을 유지하는 데 중요합니다.
운영상의 함의 이해
장비 수명과의 연관성
매칭 회로의 효율성과 하드웨어의 내구성 사이에는 직접적인 상관 관계가 있습니다. 과도한 열은 전력 전자 장치의 부품 성능 저하의 주요 원인입니다.
신호 반사로 인한 열을 줄임으로써, 매칭 회로 설계는 HIFU 장비의 연속 작동 수명을 크게 연장합니다. 이를 통해 시술 시간을 늘리고 하드웨어 고장 빈도를 줄일 수 있습니다.
설계 복잡성 대 신뢰성
이러한 효율성을 얻기 위한 절충점은 PCB 설계의 복잡성입니다. 세 번째 고조파(20 MHz)에서 임피던스를 매칭하도록 회로를 조정하는 것은 기본 주파수에서 매칭하는 것보다 기술적으로 더 어렵습니다.
그러나 이러한 복잡성을 고려하지 않으면 과열되기 쉬운 비효율적인 시스템이 됩니다. 정교한 매칭 네트워크에 대한 투자는 장치가 열 차단 없이 지속적으로 작동할 수 있도록 보장하는 데 필요합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
20 MHz HIFU 트랜스듀서의 설계 또는 성능 문제 해결을 평가할 때 다음 특정 목표를 고려하십시오.
- 최대 음향 출력이 주요 초점이라면: 매칭 네트워크가 PZT 세라믹의 세 번째 고조파에 특별히 맞춰져 전원에서 전력 손실이 발생하지 않도록 하십시오.
- 장비 수명이 주요 초점이라면: 시스템 부품의 열 부하를 줄이기 위해 PCB 설계에서 신호 반사를 최소화하는 것을 우선시하십시오.
내부 매칭 회로를 최적화하는 것이 20 MHz 트랜스듀서가 시원하고 효율적이며 안정적으로 작동하도록 보장하는 가장 효과적인 단계입니다.
요약 표:
| 주요 특징 | 기능적 중요성 | 성능에 미치는 영향 |
|---|---|---|
| 임피던스 정렬 | RF 공급 장치와 PZT 세라믹 간의 간극 해소 | 전기 에너지 전달 효율 극대화 |
| 세 번째 고조파 튜닝 | 20 MHz 주파수에서 세라믹 작동 | 정밀한 고주파 음향 출력 보장 |
| 반사 제어 | 신호 반사 최소화 | 에너지 손실 방지 및 전자 장치 보호 |
| 열 관리 | 폐열 발생 감소 | 시스템의 연속 작동 수명 연장 |
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참고문헌
- Tomasz Zawada, Torsten Bove. Strongly Focused HIFU Transducers With Simultaneous Optical Observation for Treatment of Skin at 20 MHz. DOI: 10.1016/j.ultrasmedbio.2022.03.002
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