چگونه دیودها از افزایش جریان در مانیتورهای علائم حیاتی جلوگیری می کنند؟

一، خطر افزایش فعلی در دستگاه های نظارت بر علائم حیاتی
ماژول های اصلی دستگاه نظارت بر علائم حیاتی شامل حسگرهای فوتوالکتریک، مدارهای جذب پتانسیل بیوالکتریک و واحدهای مدیریت توان می باشد. ریسک افزایش فعلی عمدتاً از سناریوهای زیر ناشی می شود:

ترمینال ورودی برق: در طول کارکرد امواج شبکه یا شارژ و دشارژ باتری، نوک ولتاژ گذرا ممکن است از مقدار ولتاژ مقاومت تجهیزات فراتر رود و منجر به خرابی مدار شود.
رابط حسگر: فتودیودها (حسگرهای PPG) در هنگام دریافت سیگنال های نور منعکس شده، مستعد تداخل نور محیطی یا تخلیه الکترواستاتیک هستند که باعث اضافه بار سیگنال می شود.
جذب پتانسیل بیوالکتریک: هنگامی که الکترودهای ECG با پوست تماس پیدا می کنند، ولتاژ بالا گذرا ممکن است توسط الکتریسیته ساکن انسان یا تداخل الکترومیوگرافی ایجاد شود که می تواند به پیش تقویت کننده آسیب برساند.
منبع تغذیه سوئیچینگ فرکانس بالا: مبدل‌های DC داخلی-ممکن است به دلیل ویژگی‌های ضعیف بازیابی معکوس دیود در طول سوئیچینگ، زنگ ولتاژ و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ایجاد کنند.
2، اصل فنی اصلی دیود برای جلوگیری از افزایش جریان
1. سرکوب ولتاژ گذرا (TVS): یک "دریچه ایمنی" با پاسخ سطح نانوثانیه
دیودهای TVS زمانی که ولتاژ از ولتاژ شکست (Vbr) فراتر می رود، به سرعت از طریق ویژگی های آمپر ولتاژ غیرخطی هدایت می شوند و اضافه ولتاژ را به محدوده ایمن می بندند. زمان پاسخگویی آن به 1 ثانیه می رسد که می تواند به طور موثر انرژی گذرا مانند صاعقه و ESD را جذب کند. به عنوان مثال، در مدار راه انداز LED یک پالس اکسیمتر، یک دیود TVS دو طرفه (مانند SMAJ5.0A) می تواند به طور همزمان جهش های ولتاژ مثبت و منفی را سرکوب کند و از فتودیود در برابر شوک الکترواستاتیک محافظت کند.

2. بهینه سازی ویژگی بازیابی معکوس: حذف نویز سوئیچ
دیودهای بازیابی سریع (FRD) و دیودهای شاتکی با کوتاه کردن زمان بازیابی معکوس (TRR) زنگ ولتاژ را در منابع تغذیه سوئیچینگ فرکانس بالا کاهش می‌دهند. برای مثال، در مبدل DC-مدار اکتساب ECG، دیود شاتکی MBR30200PT (trr<5ns) is used to avoid the superposition of reverse current and MOSFET turn off process, reduce EMI interference, and ensure the purity of ECG signal.

3. حفاظت محدود کننده فعلی: شروع نرم و مدیریت حرارتی
یک ترمیستور NTC را به صورت سری با ترمینال ورودی برق وصل کنید و از مقدار مقاومت بالای آن در سرما (مانند 5 Ω برای مدل 5D-9 در 25 درجه) استفاده کنید تا جریان افزایش را هنگام روشن شدن محدود کنید. پس از گرم شدن جریان، مقدار مقاومت کاهش می یابد<1 Ω, achieving soft start. For example, a certain model of portable monitor adopts an NTC+relay combination scheme to suppress the impulse current of 220V AC input from 300A to 60A, with a reduction of over 80%.

4. بستن و تثبیت ولتاژ: حفاظت از مدارهای حساس
دیودهای زنر یک ولتاژ مرجع پایدار برای تقویت‌کننده‌های پتانسیل بیوالکتریک از طریق ثبات ولتاژ در ناحیه شکست معکوس فراهم می‌کنند. به عنوان مثال، سری تراشه‌های AD8233 یک دیود تنظیم‌کننده ولتاژ را به صورت داخلی ادغام می‌کند که می‌تواند محدوده نوسانات ولتاژ ورودی مدار تقویت سیگنال ECG را از 20% تا 1±% فشرده کند و از دقت تشخیص ضربان قلب اطمینان حاصل کند.

3، سناریوها و راه حل های کاربردی معمولی
1. حفاظت از حسگر فوتوپلتیسموگرافی (PPG).
در اکسیمتر، LED قرمز (660 نانومتر) و LED مادون قرمز (940 نانومتر) به طور متناوب نور ساطع می کنند و فتودیود نور منعکس شده را دریافت می کند و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. برای جلوگیری از ضربه ESD، یک دیود TVS دو طرفه (مانند P6SMB15CA) باید به صورت موازی در رابط حسگر، با ولتاژ گیره 15 ولت، که می تواند 8 ± کیلوولت انرژی تخلیه الکترواستاتیک را جذب کند، متصل شود. در عین حال، دیودهای شاتکی (مانند BAT54S) به صورت سری در مدار محرک LED متصل می شوند تا با استفاده از افت ولتاژ پایین (0.15 ولت) مصرف برق را کاهش دهند و از تخریب طول عمر LED ناشی از جریان بیش از حد جلوگیری کنند.

2. حفاظت از مدار اکتساب پتانسیل بیوالکتریک ECG
هنگامی که الکترودهای ECG با پوست تماس پیدا می کنند، الکتریسیته ساکن انسان ممکن است هزاران ولت ولتاژ گذرا تولید کند. با موازی کردن دیودهای TVS (مانند SMAJ12CA) در ورودی الکترود، می توان ولتاژ را به زیر 12 ولت کاهش داد و از پیش تقویت کننده (مانند AD8221) در برابر آسیب محافظت کرد. علاوه بر این، یک مدار یکسو کننده پل + ترمیستور NTC در انتهای ورودی برق برای سرکوب جریان افزایش ناشی از نوسانات موج اصلی و اطمینان از پایداری دریافت سیگنال ECG استفاده می شود.

3. مدیریت توان دستگاه قابل حمل
در مانیتورهای قابل حمل مانند دستبندهای هوشمند، مدار شارژ و دشارژ باتری باید با نوسانات جریان بالا گذرا مقابله کند. با استفاده از دیودهای SiC Schottky (مانند C6D10065A) به جای دیودهای سیلیکونی سنتی، زمان بازیابی معکوس نزدیک به صفر است که می تواند تلفات سوئیچینگ را تا 60٪ کاهش دهد و جریان های گذرا 100A را تحمل کند و از آسیب سخت افزاری ناشی از شارژ بیش از حد باتری یا اتصال کوتاه جلوگیری کند. علاوه بر این، یک دیود محافظ ESD (مانند ESD5D150TA) در رابط شارژ USB برای تخلیه الکتریسیته ساکن ± 15 کیلو ولت و محافظت از تراشه شارژ داخلی یکپارچه شده است.