Kako diode preprečijo tokovne skoke v monitorjih vitalnih znakov?

一, Trenutna nevarnost prenapetosti v napravah za spremljanje vitalnih znakov
Osrednji moduli naprave za spremljanje vitalnih znakov vključujejo fotoelektrične senzorje, vezja za pridobivanje bioelektričnega potenciala in enote za upravljanje porabe energije. Trenutno tveganje prenapetosti izhaja predvsem iz naslednjih scenarijev:

Vhodni priključek za napajanje: Med delovanjem omrežnih valov ali polnjenjem in praznjenjem akumulatorja lahko prehodni skoki napetosti presežejo vrednost vzdržljive napetosti opreme, kar vodi do okvare tokokroga.
Vmesnik senzorja: fotodiode (senzorji PPG) so dovzetne za motnje svetlobe iz okolja ali elektrostatično razelektritev, ko sprejemajo odbite svetlobne signale, kar povzroča preobremenitev signala.
Pridobivanje bioelektričnega potenciala: Ko elektrode EKG pridejo v stik s kožo, lahko zaradi človekove statične elektrike ali elektromiografskih motenj nastane prehodna visoka napetost, ki lahko poškoduje predojačevalnik.
Visokofrekvenčni preklopni napajalnik: Notranji pretvorniki DC-DC lahko povzročijo napetostno zvonjenje in elektromagnetne motnje (EMI) zaradi slabih lastnosti reverzne obnovitve diode med preklopom.
2, osnovno tehnično načelo diode za preprečevanje tokovnega skoka
1. Zatiranje prehodne napetosti (TVS): "varnostni ventil" z nanosekundnim odzivom
Diode TVS hitro prevedejo, ko napetost preseže prebojno napetost (Vbr) prek nelinearnih volt-amperskih karakteristik, s čimer omejijo prenapetost na varno območje. Njegov odzivni čas je le 1ps, kar lahko učinkovito absorbira prehodno energijo, kot so udari strele in ESD. Na primer, v gonilnem vezju LED pulznega oksimetra lahko dvosmerna TVS dioda (kot je SMAJ5.0A) hkrati zatre pozitivne in negativne napetostne konice, s čimer zaščiti fotodiodo pred elektrostatičnim udarom.

2. Optimizacija funkcije povratne obnovitve: odpravite šum stikala
Diode za hitro obnovitev (FRD) in diode Schottky zmanjšajo napetostno zvonjenje v visoko-frekvenčnih preklopnih napajalnikih s skrajšanjem povratnega časa obnovitve (TRR). Na primer, v DC-DC pretvorniku vezja za zajemanje EKG, MBR30200PT Schottky dioda (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. Zaščita pred omejitvijo toka: mehak zagon in toplotno upravljanje
Povežite NTC termistor zaporedno z vhodno sponko za napajanje in uporabite njegovo hladno visoko upornost (kot je 5 Ω za model 5D-9 pri 25 stopinjah), da omejite udarni tok, ko je vklopljen. Ko se tok segreje, vrednost upora pade na<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. Vpenjanje in stabilizacija napetosti: zaščita občutljivih vezij
Zener diode zagotavljajo stabilno referenčno napetost za ojačevalnike bioelektričnega potenciala s konstantnostjo napetosti v območju reverzne razgradnje. Na primer, serija čipov AD8233 ima notranjo integrirano diodo regulatorja napetosti, ki lahko stisne obseg nihanja vhodne napetosti vezja za ojačanje signala EKG z ± 20 % na ± 1 %, kar zagotavlja natančnost zaznavanja srčnega utripa.

3, Tipični scenariji uporabe in rešitve
1. Zaščita fotopletizmografskega (PPG) senzorja
V oksimetru rdeča LED (660 nm) in infrardeča LED (940 nm) izmenično oddajata svetlobo, fotodioda pa sprejme odbito svetlobo in jo pretvori v električni signal. Da bi preprečili vpliv ESD, je treba dvosmerno diodo TVS (kot je P6SMB15CA) priključiti vzporedno na vmesnik senzorja z vpenjalno napetostjo 15 V, ki lahko absorbira ± 8 kV energije elektrostatične razelektritve. Hkrati so diode Schottky (kot je BAT54S) zaporedno povezane v pogonsko vezje LED, da zmanjšajo porabo energije z izkoriščanjem njihovega nizkega padca napetosti naprej (0,15 V) in preprečijo poslabšanje življenjske dobe LED zaradi čezmernega toka.

2. Zaščita vezja za pridobivanje bioelektričnega potenciala EKG
Ko elektrode EKG pridejo v stik s kožo, lahko človeška statična elektrika ustvari na tisoče voltov prehodne napetosti. Z vzporednim TVS diodami (kot je SMAJ12CA) na vhodu elektrode je mogoče napetost stisniti pod 12 V, kar zaščiti predojačevalnik (kot je AD8221) pred poškodbami. Poleg tega se na vhodni strani električne energije uporablja kombinacija mostnega usmernika in termistorja NTC, ki duši udarni tok, ki ga povzroči nihanje omrežnega vala, in zagotavlja stabilnost zajema signala EKG.

3. Upravljanje napajanja prenosne naprave
Pri prenosnih monitorjih, kot so pametne zapestnice, se mora vezje za polnjenje in praznjenje baterije spopadati s prehodnimi visokimi tokovnimi sunki. Z uporabo SiC Schottky diod (kot je C6D10065A) namesto tradicionalnih silicijevih diod je povratni čas obnovitve blizu nič, kar lahko zmanjša izgube preklapljanja za 60 % in prenese prehodne tokove 100 A, s čimer se izognete poškodbam strojne opreme, ki jih povzroči prenapolnjenost baterije ali kratki stiki. Poleg tega je zaščitna dioda ESD (kot je ESD5D150TA) vgrajena v polnilni vmesnik USB za praznjenje ± 15 kV statične elektrike in zaščito notranjega polnilnega čipa.