Bagaimana untuk mengelakkan sambaran petir dan lonjakan dalam diod TVS dalam peralatan perubatan?

一, Ancaman sambaran petir dan lonjakan peralatan perubatan
Sambaran petir mengancam peralatan perubatan dalam dua cara:

Sambaran petir terus: Kilat menyambar bangunan atau kepungan peralatan, menyebabkan peningkatan mendadak dalam potensi tanah, mewujudkan perbezaan potensi, dan merosakkan penebat peralatan;
Sambaran kilat teraruh: Denyutan elektromagnet kilat menyerang peralatan melalui talian kuasa, talian isyarat atau gandingan spatial, menghasilkan pancang voltan tinggi sementara dan merosakkan komponen elektronik sensitif.
Peralatan perubatan sangat sensitif terhadap turun naik voltan. Contohnya, tiub sinar-X-pengimbas CT memerlukan voltan tinggi DC yang stabil, manakala litar pemerolehan isyarat elektrokardiograf bergantung pada bekalan kuasa DC-bunyi rendah. Voltan lampau sementara boleh menyebabkan kegagalan peralatan, kehilangan data, dan juga bencana sekunder seperti kebakaran. Menurut statistik, 80% daripada kes kerosakan peralatan perubatan yang disebabkan oleh panahan petir di seluruh dunia setiap tahun adalah berkaitan dengan pencerobohan lonjakan ke dalam talian elektrik atau isyarat.

2, Prinsip teknikal dan kelebihan teras diod TVS
Diod TVS ialah peranti semikonduktor berdasarkan kesan pecahan salji simpang PN, dan fungsi terasnya ialah:

Tindak balas sementara: Apabila voltan melebihi voltan pecahan (VBR), TVS beralih daripada keadaan rintangan tinggi kepada keadaan rintangan rendah dalam masa 1 nanosaat, membentuk laluan konduktif;
Pengapitan yang tepat: Di bawah tindakan arus nadi puncak (IPP), pengapit voltan pada voltan pengapit maksimum (Vc) untuk memastikan voltan litar berikutnya berada di bawah ambang keselamatan;
Pemulihan automatik: Selepas lonjakan hilang, TVS secara automatik kembali ke keadaan impedans tinggi tanpa campur tangan manual dan boleh digunakan semula.
Berbanding dengan peranti pelindung tradisional seperti MOV dan GDT, TVS mempunyai kelebihan berikut:

Kelajuan tindak balas yang sangat pantas: MOV memerlukan pengumpulan haba untuk mengalir, GDT memerlukan masa pengionan gas, dan masa tindak balas TVS mencapai tahap picosecond;
Voltan pengapit rendah: Rintangan dinamik TVS boleh serendah 0.1 Ω, dan voltan sisa (Vc) jauh lebih rendah daripada MOV;
Saiz padat: TVS pelekap permukaan (seperti siri SMAJ) mempunyai isipadu hanya 0.1 sentimeter padu, sesuai untuk peranti perubatan padat;
Jangka hayat yang panjang: Ia boleh menahan beratus-ratus kesan lonjakan, manakala MOV mengalami kemerosotan prestasi yang ketara selepas beberapa kesan.
3, Aplikasi tipikal diod TVS dalam peralatan perubatan
1. Perlindungan modul kuasa
Modul kuasa peralatan perubatan perlu menukar kuasa sesalur (220V/50Hz) kepada voltan DC yang stabil. Diod TVS menukar kuasa AC kepada kuasa DC berdenyut melalui litar penerus jambatan dan kapasitor penapisan, dan kemudian mengeluarkan voltan licin selepas diapit oleh TVS. Contohnya, modul kuasa mesin hemodialisis tertentu menggunakan empat diod penerus silikon 1N5408 untuk membentuk litar penerus dan disambungkan selari dengan SMAJ5.0CA TVS (Vc=6.5V) untuk melindungi penukar DC/DC belakang. Apabila petir menyambar menyebabkan voltan input tiba-tiba meningkat kepada 300V, TVS mengalir dalam 10ns, mengepit voltan kepada 6.5V untuk mengelakkan kerosakan pada penukar.

2. Perlindungan talian isyarat
Talian isyarat peralatan perubatan, seperti garisan pemerolehan isyarat elektrokardiogram elektrokardiograf dan garis isyarat siasatan peranti diagnostik ultrasound, sensitif kepada bunyi. Diod TVS direka bentuk dengan kemuatan rendah (seperti kapasitansi simpang LCESeries hanya 0.5pF) untuk menyekat lonjakan sambil mengurangkan herotan isyarat. Contohnya, mesin elektrokardiogram 12 plumbum menggunakan diod pengehad jenis BAS70-04 (Vc=7V) untuk melindungi hujung input isyarat elektrokardiogram. Apabila voltan isyarat melebihi ± 7V, TVS mengalir, mengehadkan voltan dalam julat selamat dan memastikan bahawa isyarat-nisbah hingar (SNR) bentuk gelombang elektrokardiogram adalah Lebih Besar daripada atau sama dengan 60dB.

3. Perlindungan antara muka komunikasi
Antara muka komunikasi peralatan perubatan, seperti RS-485 dan bas CAN, mesti memenuhi keperluan keserasian elektromagnet (EMC). Diod TVS melindungi garis isyarat pembezaan melalui konfigurasi dua arah. Contohnya, antara muka komunikasi RS-485 bagi cahaya tanpa bayang dalam bilik operasi tertentu menggunakan TVS dwiarah SR05-4 (Vc=10V). Apabila voltan teraruh kilat dipancarkan di sepanjang pasangan terpiuh, GDT (tiub nyahcas gas) mula-mula mengalirkan dan menguatkan arus, dan kelebihan kelebihan pantas yang tinggal ditangkap dan diapit ke bawah 10V oleh TVS dalam 1ns untuk memastikan komunikasi tidak terganggu.

4, Titik pemilihan dan reka bentuk diod TVS
1. Pemilihan parameter utama
Voltan Potong Terbalik (VRMM): Ia sepatutnya lebih tinggi sedikit daripada voltan operasi biasa litar terlindung. Contohnya, litar bekalan kuasa 12V harus memilih TVS dengan VRMM=14V;
Voltan pecahan (VBR): biasanya 1.1-1.2 kali ganda berbanding VRMM, memastikan tiada salah operasi semasa turun naik voltan biasa;
Voltan pengapit maksimum (Vc): mestilah lebih rendah daripada voltan tahan maksimum maksimum litar berikutnya. Sebagai contoh, port IO menahan voltan MCU 3.3V ialah 5.5V, dan Vc TVS hendaklah Kurang daripada atau sama dengan 4.5V;
Arus Nadi Puncak (IPP): Ia perlu dipilih mengikut piawaian ujian lonjakan (seperti IEC 61000-4-5 Tahap 4). Contohnya, dalam menghadapi ujian lonjakan ± 4kV, TVS dengan IPP Lebih besar daripada atau sama dengan 1500W perlu dipilih;
Kapasiti simpang (Cj): TVS kemuatan rendah (seperti kemuatan simpang SACSeries Kurang daripada atau sama dengan 0.3pF) hendaklah dipilih untuk-talian isyarat berkelajuan tinggi untuk mengelakkan herotan isyarat.
2. Reka bentuk perlindungan pelbagai peringkat
Peralatan perubatan biasanya menggunakan skema perlindungan tiga-peringkat "penapisan GDT+TVS":

Tahap pertama (GDT): bertanggungjawab untuk lebih 90% pelepasan tenaga, dengan rintangan tekanan tinggi dan aliran arus yang besar, tetapi tindak balas perlahan;
Tahap 2 (TVS): Tindak balas pantas kepada pancang sisa, pengapitan tepat pada julat yang boleh diterima IC;
Tahap ketiga (penapisan): Penapis jenis π - yang terdiri daripada manik magnet dan kapasitor seramik digunakan untuk menahan hingar-berfrekuensi tinggi.
Jarak rayapan yang mencukupi ( Lebih daripada atau sama dengan 2mm) harus dikekalkan antara aras yang berbeza untuk mengelakkan-pecahan voltan tinggi permukaan PCB.

3. Pengoptimuman susun atur dan pelesapan haba
Susun berhampiran pintu masuk penyambung: kurangkan kearuhan parasit pendawaian. Bagi setiap peningkatan 1nH dalam induktansi, penurunan voltan tambahan akan dijana di bawah lonjakan di/dt tinggi;
Tanah perlindungan sambungan tembaga kawasan besar (PGND): Adalah disyorkan untuk mempunyai lebar pendawaian Lebih daripada atau sama dengan 20mil untuk mengelakkan arus lonjakan melalui satah bumi digital;
Reka bentuk pelesapan haba: Pelesapan haba melalui tatasusunan hendaklah ditambah di bawah-TVS berkuasa tinggi (seperti pembungkusan SMC, DO-201) dan gris silikon konduktif terma hendaklah digunakan jika perlu.