چگونه از جریان برگشتی در دیودها در تجهیزات پزشکی جلوگیری کنیم؟

一، اصل ضد جریان برگشتی: رسانایی یک طرفه اتصال PN
ساختار هسته یک دیود یک اتصال PN است که از ترکیب نیمه هادی های نوع P{0} (با سوراخ های زیاد) و نیمه هادی نوع N- (با تعداد زیادی الکترون آزاد) تشکیل می شود. عملکرد ضد جریان برگشتی آن بر اساس مکانیسم های فیزیکی زیر است:

هدایت مثبت: هنگامی که ترمینال P به الکترود مثبت و ترمینال N به الکترود منفی وصل می شود، ولتاژ اعمال شده، میدان الکتریکی را در داخل اتصال PN ضعیف می کند و باعث انتشار حامل و تشکیل جریان رسانایی می شود و اجازه می دهد جریان از P به N برود.
قطع معکوس: هنگامی که ترمینال N به الکترود مثبت و ترمینال P به الکترود منفی وصل می شود، یک ولتاژ خارجی اعمال می شود تا میدان الکتریکی داخلی را تقویت کند، لایه تخلیه را گسترش دهد، مانع عبور حامل های بار شود و فقط جریان نشتی معکوس بسیار کوچک (معمولاً در سطح نانو آمپر) را مجاز کند.
این رسانایی یک جهته، دیود را به یک «شیر یک طرفه{0} جریانی» طبیعی تبدیل می‌کند. به عنوان مثال، یک دیود شاتکی (مانند SS14) به طور موازی به ورودی برق یک پروب اولتراسوند قابل حمل متصل می شود. هنگامی که قطبیت برق معکوس می شود، دیود در جهت مخالف قطع می شود و مسیر جریان را مسدود می کند و از سوختن مدار داخلی جلوگیری می کند.

2، سناریوهای کاربردی معمول در تجهیزات پزشکی
1. دستگاه های پزشکی قابل حمل: مصرف انرژی کم و قابلیت اطمینان بالا را متعادل کنید
در دستگاه هایی مانند اندازه گیری قند خون و الکتروکاردیوگراف های قابل حمل، دیودهای شاتکی به دلیل افت ولتاژ پایین (0.15-0.45 ولت) انتخاب ارجح برای جلوگیری از جریان برگشتی هستند. به عنوان مثال، یک مدل خاص از دستگاه اندازه گیری قند خون از آرایه دیود دوگانه شاتکی BAT54S برای دستیابی به عملکردهای زیر استفاده می کند:

حفاظت ضد اتصال معکوس: به صورت موازی به ترمینال ورودی برق متصل می شود. وقتی قطبیت برق معکوس شود، دیود معکوس می شود و قطع می شود و مسیر جریان را مسدود می کند.
انتخاب مسیر برق: در سیستم منبع تغذیه باتری دوگانه، منبع تغذیه اصلی و پشتیبان به طور خودکار از طریق دیودها سوئیچ می شوند تا از منبع تغذیه مداوم اطمینان حاصل شود.
حفاظت محدود کننده جریان: به صورت سری به مدار محرک موتور متصل می شود، با استفاده از افت ولتاژ برای محدود کردن جریان راه اندازی و جلوگیری از افزایش جریان در هنگام قفل شدن موتور.
2. تجهیزات پزشکی با قدرت بالا: مقاومت در برابر ضربه و بهینه سازی پایداری
در دستگاه‌هایی مانند دفیبریلاتورها و چاقوهای برقی با فرکانس بالا، باید با نوسانات جریان بالا گذرا مقابله کرد. در این مرحله، دیودهای بازیابی سریع (FRD) و دیودهای کاربید سیلیکون (SiC) به اجزای اصلی تبدیل می شوند:

مدار شارژ دفیبریلاتور: ماژول MBR30200PT Schottky (30A/200V) با زمان بازیابی معکوس (trr) کمتر از 5 ثانیه استفاده می‌شود که می‌تواند از افزایش ولتاژ ناشی از تاخیر سوئیچ دیود در طول شارژ جلوگیری کند و خازن‌های ولتاژ بالا{4} را از خرابی اضافه ولتاژ محافظت کند.
مرحله خروجی چاقوی برقی فرکانس بالا: استفاده از دیود شاتکی سی سی سی سی سی دی C6D10065 (100A/650V)، افت ولتاژ رو به جلو پایین (1.5 ولت) و ویژگی های مقاومت در برابر دمای بالا (دمای اتصال 175 درجه) اطمینان حاصل می کند که مصرف برق خود دیود در طول فرکانس 1 مگاهرتز به دلیل برش بیش از حد{8} کاهش می یابد.
3. ابزار دقیق پزشکی: یکپارچگی سیگنال و طراحی ضد تداخل-
در دستگاه هایی مانند الکتروکاردیوگراف و الکتروانسفالوگرافی، دریافت سیگنال های بیوالکتریک ضعیف نیاز به سرکوب شدید نویز دارد. در این مرحله، طراحی مشترک فتودیودها و دیودهای محافظ بسیار مهم می شود:

جداسازی کوپلینگ اپتوالکترونیک: در کانال ورودی سیگنال، یک اپتوکوپلر 6N137 برای دستیابی به ایزولاسیون الکتریکی و جلوگیری از تداخل حالت مشترک از طریق تبدیل فوتوالکتریک دیودها استفاده می شود.
حفاظت ESD: در رابط سنسور، دیود شاتکی موازی ESD5D150TA با جریان نشتی کم (<0.1 μ A) and high reverse withstand voltage (150V) can effectively discharge the transient current generated by electrostatic discharge (ESD) and prevent sensor damage.
3، راه حل ابتکاری ضد جریان برگشتی: طراحی مشترک دیودها و سایر اجزا
1. مدار حفاظت کامپوزیت: دیود + دیود TVS
در ماژول انتقال تصویر آندوسکوپ های پزشکی، یک طرح حفاظتی ترکیبی از "دیود شاتکی + دیود TVS" برای جلوگیری از اضافه ولتاژ گذرا ناشی از برخورد صاعقه یا الکتریسیته ساکن اتخاذ شده است:

دیود شاتکی: به صورت موازی به ترمینال ورودی برق متصل می شود و حفاظت ضد معکوس روزانه را ارائه می دهد.
دیود TVS: سری متصل به خط سیگنال، زمان پاسخ بسیار سریع آن (<1ps) and low clamping voltage (such as SMAJ5.0A's clamping voltage of 7.8V) can limit overvoltage within a safe range in nanoseconds, protecting the downstream ADC chip from damage.
2. حفاظت از خود بازیابی: دیود + ترمیستور PTC
در مدار شارژ دستگاه‌های پزشکی پوشیدنی (مانند دستبندهای هوشمند)، یک طرح حفاظت از خود بازیابی "دیود شاتکی + ترمیستور PTC" اتخاذ شده است:

دیود شاتکی: از اتصال معکوس باتری جلوگیری می کند در حالی که از ویژگی های افت ولتاژ پایین آن برای کاهش تلفات شارژ استفاده می کند.
ترمیستور PTC: سری متصل به مسیر شارژ، زمانی که جریان از آستانه فراتر رود، مقدار مقاومت PTC به شدت افزایش می یابد و جریان را محدود می کند. پس از عیب یابی، PTC به طور خودکار به حالت مقاومت کم بدون نیاز به تعویض قطعات باز می گردد.
3. راه حل دیود ایده آل: یکپارچه سازی و هوشمندی
با محبوبیت مواد باندگپ گسترده، دیودهای ایده آل یکپارچه (مانند LM66100DCK) به انتخاب ترجیحی برای تجهیزات پزشکی پیشرفته تبدیل شده اند. اصل کار آن به شرح زیر است:

منبع تغذیه: خروجی TYPE-C را از طریق قطع داخلی PMOS قطع کنید.
منبع تغذیه نوع-C: ولتاژ خروجی 5 ولت از طریق هدایت داخلی PMOS.
باطری تغذیه می شود: وقتی هر دو نقطه A و C دارای پتانسیل 0 ولت هستند، PMOS داخلی هدایت می شود و باتری برق را به بار می رساند.
این محلول دارای مزایای حفاظت جامع، کاهش فشار کم، مقاومت داخلی کم و تولید حرارت کم است و به طور گسترده در سونوگرافی قابل حمل، آندوسکوپ و سایر تجهیزات استفاده می شود.