Com prevenir els llamps i les sobretensions en els díodes TVS en equips mèdics?

一, L'amenaça de cops de llamps i sobretensió als equips mèdics
Els llamps amenacen els equips mèdics de dues maneres:

Un llamp directe: un llamp colpeja edificis o tancaments d'equips, provocant un augment sobtat del potencial de terra, creant una diferència de potencial i danyant l'aïllament de l'equip;
Raigs induïts: els polsos electromagnètics dels llamps envaeixen l'equip a través de línies elèctriques, línies de senyal o acoblament espacial, generant pics transitoris d'alta tensió i danyant components electrònics sensibles.
Els equips mèdics són extremadament sensibles a les fluctuacions de tensió. Per exemple, el tub de raigs X-d'un escàner de TC requereix un alt voltatge de CC estable, mentre que el circuit d'adquisició del senyal d'un electrocardiògraf depèn d'una font d'alimentació de CC de baix-soroll. La sobretensió transitòria pot provocar fallades en l'equip, pèrdua de dades i fins i tot desastres secundaris, com ara incendis. Segons les estadístiques, el 80% dels casos de danys en equips mèdics causats per llamps a tot el món cada any estan relacionats amb la intrusió de sobretensió a les línies elèctriques o de senyal.

2, el principi tècnic i els avantatges bàsics dels díodes TVS
El díode TVS és un dispositiu semiconductor basat en l'efecte de trencament d'allau de la unió PN i la seva funció bàsica és:

Resposta transitòria: quan la tensió supera la tensió de ruptura (VBR), el TVS passa d'un estat d'alta resistència a un estat de baixa resistència en 1 nanosegon, formant un camí conductor;
Subjecció precisa: sota l'acció del corrent de pols màxim (IPP), subjecteu la tensió a la tensió màxima de subjecció (Vc) per assegurar-vos que la tensió del circuit posterior estigui per sota del llindar de seguretat;
Recuperació automàtica: després de desaparèixer la sobretensió, el TVS torna automàticament a un estat d'alta impedància sense intervenció manual i es pot reutilitzar.
En comparació amb els dispositius de protecció tradicionals com MOV i GDT, TVS té els següents avantatges:

Velocitat de resposta extremadament ràpida: MOV requereix acumulació tèrmica per conduir, GDT requereix temps d'ionització de gas i el temps de resposta de TVS arriba al nivell de picosegons;
Baixa tensió de subjecció: la resistència dinàmica de TVS pot ser tan baixa com 0,1 Ω i la tensió residual (Vc) és significativament inferior a la de MOV;
Mida compacta: els televisors de muntatge superficial (com la sèrie SMAJ) tenen un volum de només 0,1 centímetres cúbics, adequats per a dispositius mèdics compactes;
Llarga vida útil: pot suportar centenars d'impactes de sobretensió, mentre que els MOV experimenten una degradació significativa del rendiment després de múltiples impactes.
3, Aplicacions típiques dels díodes TVS en equips mèdics
1. Protecció del mòdul de potència
El mòdul d'alimentació dels equips mèdics ha de convertir l'alimentació de la xarxa (220V/50Hz) en una tensió de CC estable. El díode TVS converteix l'energia de CA en potència de corrent continu pulsada a través d'un circuit rectificador de pont i un condensador de filtrat, i després emet una tensió suau després de ser subjectada pel TVS. Per exemple, el mòdul d'alimentació d'una determinada màquina d'hemodiàlisi utilitza quatre díodes rectificadors de silici 1N5408 per formar un circuit rectificador i està connectat en paral·lel amb SMAJ5.0CA TVS (Vc=6.5V) per protegir el convertidor DC/DC posterior. Quan un llamp fa que la tensió d'entrada augmenti sobtadament a 300 V, el TVS condueix en un termini de 10 ns, subjectant la tensió a 6,5 ​​V per evitar danys al convertidor.

2. Protecció de la línia de senyal
Les línies de senyal dels equips mèdics, com ara la línia d'adquisició de senyals d'electrocardiograma d'un electrocardiògraf i la línia de senyal de sonda d'un dispositiu de diagnòstic per ultrasons, són sensibles al soroll. Els díodes TVS estan dissenyats amb una capacitat baixa (com ara la capacitat d'unió de la sèrie LCES de només 0,5 pF) per suprimir les sobretensions alhora que redueix la distorsió del senyal. Per exemple, una màquina d'electrocardiograma de 12 derivacions utilitza un díode limitador de tipus BAS70-04 (Vc=7V) per protegir l'extrem d'entrada del senyal de l'electrocardiograma. Quan la tensió del senyal supera ± 7 V, TVS condueix, limitant la tensió dins d'un rang segur i assegurant que la relació senyal-soroll (SNR) de la forma d'ona de l'electrocardiograma és superior o igual a 60 dB.

3. Protecció de la interfície de comunicació
Les interfícies de comunicació dels equips mèdics, com ara RS-485 i bus CAN, han de complir els requisits de compatibilitat electromagnètica (EMC). Els díodes TVS protegeixen les línies de senyal diferencial mitjançant una configuració bidireccional. Per exemple, la interfície de comunicació RS-485 d'una llum sense ombres en un quiròfan determinat utilitza TVS bidireccional SR05-4 (Vc=10V). Quan la tensió induïda per llamps es transmet al llarg del parell trenat, el GDT (tub de descàrrega de gas) condueix i amplifica el corrent, i el TVS captura i fixa la vora ascendent ràpida residual a menys de 10 V en 1 ns per garantir una comunicació ininterrompuda.

4, Punts de selecció i disseny de díodes TVS
1. Selecció de paràmetres clau
Tensió de tall invers (VRMM): hauria de ser lleugerament superior a la tensió de funcionament normal del circuit protegit. Per exemple, un circuit d'alimentació de 12 V hauria de triar un televisor amb VRMM=14V;
Tensió de ruptura (VBR): generalment 1,1-1,2 vegades la del VRMM, garantint que no hi hagi cap mal funcionament durant les fluctuacions de tensió normals;
Tensió màxima de subjecció (Vc): ha de ser inferior a la tensió de suport màxima absoluta del circuit posterior. Per exemple, la tensió de suport del port IO d'un MCU de 3,3 V és de 5,5 V i el Vc d'un televisor hauria de ser inferior o igual a 4,5 V;
Corrent de pols màxim (IPP): s'ha de seleccionar segons els estàndards de prova de sobretensió (com ara IEC 61000-4-5 Nivell 4). Per exemple, davant les proves de sobretensió de ± 4kV, cal seleccionar un televisor amb IPP superior o igual a 1500W;
Capacitat de la unió (Cj): s'ha de seleccionar TVS de baixa capacitat (com ara la capacitat de la unió de la sèrie SACSeries inferior o igual a 0,3 pF) per a línies de senyal d'alta -velocitat per evitar la distorsió del senyal.
2. Disseny de protecció multinivell
Els equips mèdics solen adoptar un esquema de protecció de tres-nivells de "GDT+TVS+filtre":

Primer nivell (GDT): responsable de més del 90% de l'alliberament d'energia, amb resistència a alta pressió i gran flux de corrent, però resposta lenta;
Nivell 2 (TVS): resposta ràpida a pics residuals, fixació precisa al rang acceptable d'IC;
Tercer nivell (filtrat): s'utilitza un filtre de tipus π - compost de perles magnètiques i condensadors ceràmics per suprimir el soroll d'alta-freqüència.
S'ha de mantenir una distància de fuga adequada (superior o igual a 2 mm) entre els diferents nivells per evitar una ruptura d'alt-tensió de la superfície de la PCB.

3. Optimització de la distribució i la dissipació de calor
Col·loqueu-vos prop de l'entrada del connector: reduïu la inductància parasitària del cablejat. Per cada augment d'1 nH de la inductància, es generarà una caiguda de tensió addicional sota sobretensions di/dt elevades;
Terra de protecció de connexió de coure d'àrea gran (PGND): es recomana tenir una amplada de cablejat superior o igual a 20 mil per evitar que els corrents de sobrecàrrega passin pel pla de terra digital;
Disseny de dissipació de calor: s'ha d'afegir una dissipació de calor mitjançant una matriu a sota dels televisors d'alta potència- (com ara els envasos SMC, DO-201) i s'ha d'utilitzar greix de silicona conductor tèrmic si cal.