چگونه از دیودها برای محافظت از اجزای کلیدی در مدارهای ابزار پزشکی استفاده کنیم؟

一، اصل حفاظت از دیودها
1. حفاظت از اضافه ولتاژ: گیره و حد
دیود از طریق ویژگی های شکست معکوس به گیره ولتاژ دست می یابد. هنگامی که یک ولتاژ بالا گذرا در مدار رخ می دهد، دیود زنر یا دیود TVS به سرعت وارد حالت خرابی بهمن می شود و ولتاژ را به آستانه ایمن محدود می کند. به عنوان مثال، در ورودی یک الکتروکاردیوگراف، یک دیود سیلیکونی موازی معکوس می تواند ولتاژ ورودی را به ± 600 میلی ولت محدود کند تا از آسیب{3} پالس های ولتاژ بالا به پیش تقویت کننده جلوگیری کند. دیودهای TVS سرعت پاسخگویی پیکوثانیه ای دارند و از مدارها در برخوردهای صاعقه یا رویدادهای گذرا سریع الکتریکی (EFT) محافظت می کنند. دقت ولتاژ بستن آنها می تواند به ± 5٪ برسد و جریان نشتی کمتر از 1 μ A است.

2. حفاظت از اضافه جریان: جریان پیوسته و جذب انرژی
در مدارهای بار القایی، دیودها نیروی الکتروموتور معکوس را از طریق چرخش آزاد سرکوب می کنند. به عنوان مثال، در مدار محرک یک رله هواکش، دیودهای موازی شاتکی یک مسیر جریان معکوس را هنگام خاموش شدن رله فراهم می‌کنند و از ولتاژ بالای گذرا صدها ولتی تولید شده توسط سیم پیچ از شکستن ترانزیستور محرک جلوگیری می‌کنند. در مدارهای کنترل موتور، دیودهای بازیابی سریع (FRDs) انرژی نیروی الکتروموتور عقب موتور را با هدایت و قطع سریع موتور جذب می کنند و از دستگاه های برق در برابر نوسانات ولتاژ محافظت می کنند.

3. حفاظت الکترواستاتیک: سرکوب ESD
مدار رابط تجهیزات پزشکی مستعد الکتریسیته ساکن انسان یا تداخل محیطی است. دیودهای سرکوب کننده ESD به دلیل ظرفیت کم، به سرعت انرژی ساکن را در خطوط سیگنال پرسرعت مانند USB و HDMI تخلیه می کنند.<1pF) and high breakdown voltage (>20 کیلو ولت) ویژگی ها. به عنوان مثال، در رابط سیگنال ECG یک مانیتور قابل حمل، استفاده از آرایه دیود TVS می تواند ولتاژ تخلیه الکترواستاتیک را از 8 کیلو ولت به سطح ایمن کاهش دهد و در عین حال یکپارچگی سیگنال را حفظ کند.

2، تجزیه و تحلیل سناریو برنامه معمولی
1. حفاظت از سیستم قدرت
ماژول برق تجهیزات پزشکی باید با تهدیداتی مانند نوسانات برق و صاعقه مقابله کند. با در نظر گرفتن مولد ولتاژ بالا-دستگاه اشعه ایکس پزشکی، مدار قدرت آن از آرایه دیود شاتکی کاربید سیلیکون (SiC) استفاده می‌کند که از طریق مکانیسم‌های زیر محافظت می‌کند:

یکسوسازی ولتاژ بالا: دیودهای SiC دارای ولتاژ مقاومتی تا 60 کیلو ولت و زمان بازیابی معکوس 20 ثانیه هستند که 30 درصد کارآمدتر از دیودهای سیلیکونی سنتی است. آنها می توانند به طور پایدار ده ها کیلو ولت ولتاژ بالا DC را تولید کنند.
جذب موج: وریستورهای اکسید فلزی (MOV) و دیودهای TVS را به صورت موازی در انتهای ورودی برق وصل کنید تا حفاظت چند سطحی ایجاد کنید. MOV انرژی موج اولیه را جذب می‌کند، در حالی که دیود TVS ولتاژ باقیمانده را بیشتر می‌کند تا اطمینان حاصل شود که مدار پایین دست از ضربه محافظت می‌شود.
2. حفاظت از دریافت و انتقال سیگنال
در مدار دریافت سیگنال بیوالکتریک، دیودها از اجزای حساس از طریق محدود کردن دامنه و فیلتر کردن محافظت می کنند. به عنوان مثال:

حفاظت ورودی الکتروکاردیوگرام: با اتخاذ یک مدار حفاظتی دو مرحله‌ای، مرحله اول لوله تخلیه گاز (GDT) است که ولتاژ ورودی را به 50 ولت محدود می‌کند. مرحله دوم یک دیود سیلیکونی موازی معکوس است که ولتاژ را به ± 600mV می‌بندد، در حالی که تداخل فرکانس بالا را از طریق یک شبکه فیلتر RC سرکوب می‌کند.
رابط ارتباطی فیبر نوری: در سیستم های انتقال تصویر آندوسکوپی، فوتودیودها در ترکیب با دیودهای TVS استفاده می شوند. دیودهای نوری سیگنال‌های نور را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند، در حالی که دیودهای TVS از آن‌ها در برابر الکتریسیته ساکن یا نوسانات برق محافظت می‌کنند و پایداری انتقال داده‌های تصویر را تضمین می‌کنند.
3. کنترل انرژی تجهیزات درمانی
در دستگاه های لیزر درمانی، دیودها با کنترل دقیق انرژی خروجی از بیماران و تجهیزات محافظت می کنند. به عنوان مثال:

تنظیم توان لیزری: یک مدار سوئیچ متشکل از یک دیود بازیابی سریع و ماسفت برای کنترل جریان محرک دیود لیزر با تنظیم زاویه هدایت دیود و دستیابی به توان خروجی قابل تنظیم مداوم استفاده می شود.
حفاظت اینترلاک ایمنی: یک کوپلر فوتوالکتریک در محل اتصال بین سر درمان و تجهیزات نصب شده است. هنگامی که سر درمان به درستی نصب نشده باشد، فتودیود نمی تواند سیگنال نور را تشخیص دهد و به طور خودکار خروجی لیزر را قطع می کند تا از تابش تصادفی جلوگیری کند.
3، انتخاب فناوری و استراتژی بهینه سازی
1. تطبیق پارامتر دستگاه
سطح ولتاژ: دیودهایی با ولتاژ شکست معکوس (Vbr) بالاتر از 1.5 برابر ولتاژ اوج بر اساس ولتاژ کاری مدار انتخاب کنید. برای مثال، در مدار ورودی 220 ولت AC، دیودهای TVS با Vbr بزرگتر یا مساوی 600 ولت باید انتخاب شوند.
ظرفیت جریان: در سناریوهای حفاظت از اضافه جریان، میانگین جریان تصحیح شده (If) دیود باید بیشتر از دو برابر حداکثر جریان عملیاتی مدار باشد. به عنوان مثال، در مدار درایو موتور، یک دیود بازیابی سریع با اگر بزرگتر از یا برابر با 10A انتخاب شده است.
سرعت پاسخگویی: برای حفاظت از سیگنال فرکانس بالا، دیودهای TVS یا دیودهای شاتکی را با زمان پاسخ (trr) در اولویت قرار دهید.<10ns.
2. بهینه سازی توپولوژی
حفاظت چند سطحی: با اتخاذ یک معماری حفاظت سه سطحی «GDT+MOV+TVS»، GDT انرژی موج اولیه را جذب می‌کند، MOV اضافه ولتاژ متوسط ​​را سرکوب می‌کند، TVS ولتاژ باقیمانده را می‌بندد و گام به گام به کاهش انرژی می‌رسد.
طراحی یکپارچه: استفاده از آرایه های دیود TVS یا ماژول های حفاظتی ESD برای کاهش فضای چیدمان PCB. به عنوان مثال، آرایه TVS سری SP1003 Littelfuse می‌تواند چهار حفاظت سیگنال را روی یک تراشه ادغام کند و تأثیر ظرفیت انگلی بر سیگنال‌های{2}}سرعت بالا را کاهش دهد.
3. مدیریت حرارتی و قابلیت اطمینان
طراحی اتلاف گرما: در کاربردهای{0}قدرت بالا، دیودها باید به هیت سینک یا هیت سینک مجهز شوند. به عنوان مثال، در تقویت‌کننده‌های گرادیان برای تصویربرداری تشدید مغناطیسی پزشکی (MRI)، دیودهای SiC Schottky گرما را از طریق یک بستر مسی پخش می‌کنند تا دمای اتصال زیر 150 درجه را تضمین کنند.
طراحی اضافی: دیودهای چندگانه موازی در مدارهای بحرانی برای بهبود تحمل خطای سیستم. به عنوان مثال، در مدار شارژ خازن ولتاژ بالا یک دفیبریلاتور، دو دیود TVS به صورت موازی به هم متصل می شوند تا از خرابی تجهیزات ناشی از خرابی یک نقطه جلوگیری کنند.