Hoe blikseminslagen en spanningspieken in TVS-diodes in medische apparatuur voorkomen?

一, De dreiging van blikseminslag en overspanningen op medische apparatuur
Blikseminslag bedreigt medische apparatuur op twee manieren:

Directe blikseminslag: Blikseminslag treft gebouwen of apparatuurbehuizingen, waardoor een plotselinge toename van het aardpotentiaal ontstaat, waardoor een potentiaalverschil ontstaat en de isolatie van apparatuur wordt beschadigd;
Geïnduceerde blikseminslag: elektromagnetische bliksempulsen dringen apparatuur binnen via hoogspanningslijnen, signaallijnen of ruimtelijke koppeling, waardoor tijdelijke hoogspanningspieken worden gegenereerd en gevoelige elektronische componenten worden beschadigd.
Medische apparatuur is uiterst gevoelig voor spanningsschommelingen. De röntgenbuis van een CT-scanner vereist bijvoorbeeld een stabiele gelijkstroomhoogspanning, terwijl het signaalacquisitiecircuit van een elektrocardiograaf afhankelijk is van een gelijkstroomvoeding met lage-ruis. Tijdelijke overspanning kan apparatuurstoringen, gegevensverlies en zelfs secundaire rampen zoals brand veroorzaken. Volgens statistieken houdt 80% van de schadegevallen aan medische apparatuur die elk jaar wereldwijd worden veroorzaakt door blikseminslagen verband met overspanning in stroom- of signaalleidingen.

2, Het technische principe en de kernvoordelen van TVS-diodes
TVS-diode is een halfgeleiderapparaat gebaseerd op het lawine-doorslageffect van de PN-overgang, en de kernfunctie ervan is:

Transiënte respons: wanneer de spanning de doorslagspanning (VBR) overschrijdt, gaat de TVS binnen 1 nanoseconde over van een toestand met hoge weerstand naar een toestand met lage weerstand, waardoor een geleidend pad wordt gevormd;
Nauwkeurige klemming: klem onder invloed van piekpulsstroom (IPP) de spanning op de maximale klemspanning (Vc) om ervoor te zorgen dat de spanning van het volgende circuit onder de veiligheidsdrempel ligt;
Automatisch herstel: Nadat de piek is verdwenen, keert de TVS automatisch terug naar een hoge impedantiestatus zonder handmatige tussenkomst en kan opnieuw worden gebruikt.
Vergeleken met traditionele beveiligingsapparaten zoals MOV en GDT heeft TVS de volgende voordelen:

Extreem hoge responssnelheid: MOV vereist thermische accumulatie om te kunnen geleiden, GDT vereist gasionisatietijd en de TVS-responstijd bereikt het picosecondeniveau;
Lage klemspanning: De dynamische weerstand van TVS kan zo laag zijn als 0,1 Ω, en de restspanning (Vc) is aanzienlijk lager dan die van MOV;
Compact formaat: TVS voor opbouwmontage (zoals de SMAJ-serie) heeft een volume van slechts 0,1 kubieke centimeter, geschikt voor compacte medische apparaten;
Lange levensduur: het is bestand tegen honderden piekstoten, terwijl MOV's na meerdere schokken een aanzienlijke prestatievermindering ervaren.
3, Typische toepassingen van TVS-diodes in medische apparatuur
1. Beveiliging van de voedingsmodule
De voedingsmodule van medische apparatuur moet de netstroom (220V/50Hz) omzetten in een stabiele gelijkspanning. De TVS-diode zet wisselstroom om in pulserende gelijkstroom via een bruggelijkrichtercircuit en een filtercondensator, en voert vervolgens een gelijkmatige spanning uit nadat hij door de TVS is vastgeklemd. De voedingsmodule van een bepaald hemodialyseapparaat gebruikt bijvoorbeeld vier 1N5408-siliciumgelijkrichterdiodes om een ​​gelijkrichtcircuit te vormen, en is parallel verbonden met SMAJ5.0CA TVS (Vc=6.5V) om de achterste DC/DC-omzetter te beschermen. Wanneer blikseminslag ervoor zorgt dat de ingangsspanning plotseling stijgt tot 300 V, geleidt de TVS binnen 10 ns, waarbij de spanning wordt vastgezet op 6,5 V om schade aan de converter te voorkomen.

2. Signaallijnbescherming
De signaallijnen van medische apparatuur, zoals de signaalverwervingslijn voor het elektrocardiogram van een elektrocardiograaf en de sondesignaallijn van een ultrasoon diagnostisch apparaat, zijn gevoelig voor ruis. TVS-diodes zijn ontworpen met een lage capaciteit (zoals de junctiecapaciteit van de LCE-serie van slechts 0,5 pF) om pieken te onderdrukken en signaalvervorming te verminderen. Een elektrocardiogrammachine met 12 afleidingen maakt bijvoorbeeld gebruik van een beperkingsdiode van het type BAS70-04 (Vc=7V) om het ingangseinde van het elektrocardiogramsignaal te beschermen. Wanneer de signaalspanning ± 7 V overschrijdt, geleidt TVS, waardoor de spanning binnen een veilig bereik wordt beperkt en ervoor wordt gezorgd dat de signaal-ruisverhouding (SNR) van de golfvorm van het elektrocardiogram groter is dan of gelijk is aan 60 dB.

3. Bescherming van de communicatie-interface
De communicatie-interfaces van medische apparatuur, zoals RS-485 en CAN-bus, moeten voldoen aan eisen voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC). TVS-diodes beschermen differentiële signaallijnen via bidirectionele configuratie. De RS-485-communicatie-interface van een schaduwloos licht in een bepaalde operatiekamer maakt bijvoorbeeld gebruik van SR05-4 bidirectionele TVS (Vc=10V). Wanneer de door bliksem veroorzaakte spanning langs het getwiste paar wordt verzonden, geleidt en versterkt de GDT (gasontladingsbuis) eerst de stroom, en de resterende snel stijgende flank wordt door de TVS binnen 1 ns opgevangen en vastgeklemd tot onder de 10 V om een ​​ononderbroken communicatie te garanderen.

4, Selectie- en ontwerppunten van TVS-diodes
1. Selectie van belangrijke parameters
Reverse Cut Off Voltage (VRMM): Deze moet iets hoger zijn dan de normale bedrijfsspanning van het beveiligde circuit. Een 12V-voedingscircuit moet bijvoorbeeld een TVS kiezen met VRMM=14V;
Doorslagspanning (VBR): gewoonlijk 1,1-1,2 keer die van VRMM, waardoor geen verkeerde werking tijdens normale spanningsschommelingen wordt gegarandeerd;
Maximale klemspanning (Vc): moet lager zijn dan de absolute maximale weerstandsspanning van het volgende circuit. De weerstandsspanning van de IO-poort van een 3,3V MCU is bijvoorbeeld 5,5V, en de Vc van een TVS moet kleiner dan of gelijk zijn aan 4,5V;
Piekpulsstroom (IPP): Deze moet worden geselecteerd volgens de normen voor piektests (zoals IEC 61000-4-5 niveau 4). Met het oog op piektests van ± 4 kV moet bijvoorbeeld een TVS met IPP groter dan of gelijk aan 1500 W worden geselecteerd;
Junctiecapaciteit (Cj): TVS met lage capaciteit (zoals de junctiecapaciteit van de SAC-serie kleiner dan of gelijk aan 0,3 pF) moet worden geselecteerd voor hoge- signaallijnen om signaalvervorming te voorkomen.
2. Beschermingsontwerp op meerdere niveaus
Medische apparatuur maakt doorgaans gebruik van een beveiligingsschema op drie-niveaus: 'GDT+TVS+filtering':

Eerste niveau (GDT): verantwoordelijk voor meer dan 90% van de energieafgifte, met hoge drukweerstand en grote stroomsterkte, maar trage respons;
Niveau 2 (TVS): Snelle reactie op resterende pieken, nauwkeurige klemming tot IC-aanvaardbaar bereik;
Derde niveau (filtering): een filter van het type π -, bestaande uit magnetische korrels en keramische condensatoren, wordt gebruikt om hoogfrequente ruis te onderdrukken.
Er moet voldoende kruipafstand (groter dan of gelijk aan 2 mm) tussen de verschillende niveaus worden aangehouden om doorslag van hoge- spanning op het PCB-oppervlak te voorkomen.

3. Optimalisatie van lay-out en warmteafvoer
In de buurt van de ingang van de connector plaatsen: verminder de parasitaire inductie van de bedrading. Voor elke toename van de inductantie met 1 nH wordt een extra spanningsval gegenereerd onder hoge di/dt-pieken;
Grote koperen verbindingsbeschermingsaarde (PGND): Het wordt aanbevolen om een ​​bedradingsbreedte van groter dan of gelijk aan 20 mil te hebben om te voorkomen dat er stroomstoten door het digitale aardvlak gaan;
Ontwerp voor warmteafvoer: er moet een warmteafvoer via een array worden toegevoegd onder tv's met hoog-vermogen (zoals SMC, DO-201-verpakkingen) en indien nodig moet thermisch geleidend siliconenvet worden gebruikt.