Kaip išvengti žaibo smūgių ir viršįtampių TVS dioduose medicinos įrangoje?

一, žaibo smūgio ir viršįtampių grėsmė medicinos įrangai
Žaibo smūgiai medicinos įrangai kelia pavojų dviem būdais:

Tiesioginis žaibo smūgis: žaibas trenkia į pastatus ar įrangos aptvarus, sukeldamas staigų žemės potencialo padidėjimą, sukurdamas potencialų skirtumą ir sugadindamas įrangos izoliaciją;
Sukeltas žaibo smūgis: žaibo elektromagnetiniai impulsai įsiskverbia į įrangą per elektros linijas, signalines linijas arba erdvinę jungtį, generuodami trumpalaikius aukštos įtampos šuoliais ir sugadindami jautrius elektroninius komponentus.
Medicinos įranga yra itin jautri įtampos svyravimams. Pavyzdžiui, KT skaitytuvo rentgeno vamzdžiui reikalinga stabili nuolatinė aukštos įtampos įtampa, o elektrokardiografo signalo gavimo grandinė priklauso nuo mažo-triukšmo nuolatinės srovės maitinimo šaltinio. Laikinas viršįtampis gali sukelti įrangos gedimą, duomenų praradimą ir netgi antrines nelaimes, pvz., gaisrus. Remiantis statistika, 80% medicininės įrangos pažeidimų, kuriuos sukelia žaibo smūgiai, kasmet visame pasaulyje yra susiję su viršįtampiu įsiskverbimu į elektros ar signalo linijas.

2, TVS diodų techninis principas ir pagrindiniai privalumai
TVS diodas yra puslaidininkinis įtaisas, pagrįstas PN sandūros lavinos suskaidymo efektu, o pagrindinė jo funkcija yra:

Trumpalaikis atsakas: kai įtampa viršija gedimo įtampą (VBR), TVS per 1 nanosekundę pereina iš didelės varžos būsenos į mažos varžos būseną, sudarydama laidų kelią;
Tikslus suspaudimas: veikiant didžiausiai impulsų srovei (IPP), užfiksuokite įtampą ties maksimalia suspaudimo įtampa (Vc), kad įsitikintumėte, jog tolesnės grandinės įtampa yra mažesnė už saugos slenkstį;
Automatinis atkūrimas: išnykus viršįtampiui, TVS automatiškai grįžta į didelės varžos būseną be rankinio įsikišimo ir gali būti naudojamas pakartotinai.
Lyginant su tradiciniais apsauginiais įtaisais, tokiais kaip MOV ir GDT, TVS turi šiuos privalumus:

Itin greitas atsako greitis: MOV laidumui reikalinga šiluminė akumuliacija, GDT – dujų jonizacijos laikas, o TVS atsako laikas pasiekia pikosekundės lygį;
Žema suspaudimo įtampa: TVS dinaminė varža gali būti net 0,1 Ω, o liekamoji įtampa (Vc) yra žymiai mažesnė nei MOV;
Kompaktiškas dydis: ant paviršiaus montuojami televizoriai (pvz., SMAJ serija) yra tik 0,1 kubinio centimetro tūrio, tinka kompaktiškiems medicinos prietaisams;
Ilgas tarnavimo laikas: jis gali atlaikyti šimtus viršįtampių, o MOV veikimas smarkiai pablogėja po kelių smūgių.
3, Tipiniai TVS diodų pritaikymai medicinos įrangoje
1. Maitinimo modulio apsauga
Medicininės įrangos maitinimo modulis turi paversti tinklo maitinimą (220V/50Hz) į stabilią nuolatinės srovės įtampą. TVS diodas konvertuoja kintamosios srovės maitinimą į pulsuojančią nuolatinę srovę per tilto lygintuvo grandinę ir filtravimo kondensatorių, o po to, kai jį užfiksuoja TVS, išveda sklandžią įtampą. Pavyzdžiui, tam tikro hemodializės aparato maitinimo modulis naudoja keturis 1N5408 silicio lygintuvus, kad sudarytų lygintuvo grandinę, ir yra lygiagrečiai sujungtas su SMAJ5.0CA TVS (Vc{7}}V), kad apsaugotų galinį DC/DC keitiklį. Kai žaibo smūgis staiga padidina įėjimo įtampą iki 300 V, TVS praleidžia per 10 n, įtampą fiksuodamas iki 6,5 V, kad būtų išvengta keitiklio pažeidimo.

2. Signalo linijos apsauga
Medicininės įrangos signalinės linijos, pvz., elektrokardiografo elektrokardiogramos signalo gavimo linija ir ultragarso diagnostikos prietaiso zondo signalo linija, yra jautrios triukšmui. TVS diodai suprojektuoti su maža talpa (pvz., LCESerijos jungties talpa tik 0,5 pF), kad slopintų viršįtampius ir sumažintų signalo iškraipymą. Pavyzdžiui, 12 laidų elektrokardiogramos aparatas naudoja BAS70-04 tipo ribojantį diodą (Vc=7V), kad apsaugotų elektrokardiogramos signalo įvesties galą. Kai signalo įtampa viršija ± 7 V, TVS veda, apribodama įtampą saugiame diapazone ir užtikrindama, kad elektrokardiogramos bangos formos signalo -triukšmo santykis (SNR) būtų didesnis nei 60 dB arba lygus jai.

3. Ryšio sąsajos apsauga
Medicininės įrangos, pvz., RS-485 ir CAN magistralės, ryšio sąsajos turi atitikti elektromagnetinio suderinamumo (EMC) reikalavimus. TVS diodai apsaugo diferencinio signalo linijas per dvikryptę konfigūraciją. Pavyzdžiui, tam tikroje operacinėje bešešėlio šviesos RS-485 ryšio sąsaja naudoja SR05-4 dvikrypčius TVS (Vc=10V). Kai žaibo sukelta įtampa perduodama išilgai vytos poros, GDT (dujų išlydžio vamzdis) pirmiausia praleidžia ir sustiprina srovę, o liekamąją sparčiai kylančią briauną TVS užfiksuoja ir per 1ns užfiksuoja iki žemiau 10 V, kad būtų užtikrintas nenutrūkstamas ryšys.

4, TVS diodų parinkimo ir projektavimo taškai
1. Pagrindinių parametrų parinkimas
Atvirkštinė išjungimo įtampa (VRMM): ji turėtų būti šiek tiek didesnė už normalią saugomos grandinės darbinę įtampą. Pavyzdžiui, 12 V maitinimo grandinėje reikėtų pasirinkti TVS su VRMM=14V;
Pertraukimo įtampa (VBR): paprastai 1,1-1,2 karto didesnė už VRMM, užtikrinanti, kad normalių įtampos svyravimų metu nebūtų veikimo sutrikimų;
Didžiausia suspaudimo įtampa (Vc): turi būti mažesnė už absoliučią didžiausią tolesnės grandinės atsparumo įtampą. Pavyzdžiui, 3,3 V MCU IO prievado atsparumo įtampa yra 5,5 V, o TVS Vc turėtų būti mažesnė arba lygi 4,5 V;
Didžiausia impulsinė srovė (IPP): ji turi būti parinkta pagal viršįtampių bandymo standartus (pvz., IEC 61000-4-5 4 lygis). Pavyzdžiui, atliekant ± 4 kV viršįtampio bandymą, reikia pasirinkti TVS, kurio IPP didesnė nei 1500 W arba lygi;
Jungties talpa (Cj): mažos talpos TVS (pvz., SACSerijos sankryžos talpa Mažesnė arba lygi 0,3 pF) didelės spartos signalo linijoms, kad būtų išvengta signalo iškraipymo.
2. Kelių lygių apsaugos konstrukcija
Medicinos įranga paprastai naudoja trijų{0}}pakopų apsaugos schemą „GDT+TVS+filtravimas“:

Pirmasis lygis (GDT): atsakingas už daugiau nei 90 % energijos išsiskyrimo, atsparumas aukštam slėgiui ir didelis srovės srautas, bet lėtas atsakas;
2 lygis (TVS): greitas atsakas į likusius šuolius, tikslus suspaudimas iki priimtino IC diapazono;
Trečias lygis (filtravimas): π - tipo filtras, sudarytas iš magnetinių granulių ir keraminių kondensatorių, naudojamas aukšto-dažnio triukšmui slopinti.
Tarp skirtingų lygių turi būti išlaikytas tinkamas valkšnumo atstumas (didesnis arba lygus 2 mm), kad būtų išvengta PCB paviršiaus didelės įtampos.

3. Išdėstymas ir šilumos sklaidos optimizavimas
Išdėstykite šalia jungties įėjimo: sumažinkite laidų parazitinį induktyvumą. Kaskart padidėjus induktyvumui 1 nH, esant dideliems di/dt viršįtampiams, sukuriamas papildomas įtampos kritimas;
Didelio ploto vario jungties apsauginis įžeminimas (PGND): rekomenduojama, kad laidų plotis būtų didesnis nei 20 mil, kad būtų išvengta viršįtampių srovių, einančių per skaitmeninę įžeminimo plokštę;
Šilumos išsklaidymo dizainas: šilumos išsklaidymas per masyvą turėtų būti pridėtas po didelės galios -TVS (pvz., SMC, DO-201 pakuotės) ir, jei reikia, turėtų būti naudojamas šilumai laidus silikoninis tepalas.