Как диоды могут обеспечить защиту от перегрузки по току в медицинском оборудовании?

一, Основной принцип диодной максимальной токовой защиты
Основная цель защиты от перегрузки по току — ограничить повреждение компонентов схемы аномальными токами, и диоды достигают этой функции благодаря следующим характеристикам:

Однонаправленная проводимость: диод пропускает ток только от анода к катоду, блокируя обратный ток. Эта функция делает его основным компонентом защиты от реверса. Например, во входной клемме портативного ультразвукового датчика параллельные диоды Шоттки (такие как SS14) могут предотвратить обратный ток, вызванный обратной полярностью источника питания, и избежать перегорания внутренней цепи.
Характеристика прямого падения напряжения: когда ток проходит через диод, на обоих концах генерируется падение напряжения примерно от 0,2 В (диод Шоттки) до 0,7 В (кремниевый диод с PN-переходом). Используя эту характеристику, можно спроектировать схему ограничения тока. Например, в силовом модуле хирургического робота несколько выпрямительных диодов 1N4007 соединены последовательно, чтобы ограничить максимальный выходной ток за счет суперпозиции падения напряжения и предотвратить перегрузку двигателя.
Характеристика обратного пробоя: когда обратное напряжение превышает напряжение пробоя, стабилитрон переходит в стабильное состояние, фиксируя напряжение в безопасном диапазоне. Эта функция широко используется в комбинированной защите медицинского оборудования от перенапряжения/перегрузки по току. Например, в усилителе градиентного магнитного поля магнитно-резонансной томографии (МРТ) стабилитрон работает совместно с предохранителем. Когда ток превышает пороговое значение, стабилитрон выходит из строя и проводит ток, вызывая плавление предохранителя и разрыв цепи.
2. Типичные сценарии применения в медицинском оборудовании.
1. Портативные медицинские устройства: баланс между низким энергопотреблением и высокой надежностью.
Диоды Шоттки предпочтительны в таких устройствах, как глюкометры и портативные электрокардиографы, из-за их низкого прямого падения напряжения (0,15–0,45 В). Например, в определенной модели глюкометра используется двойная диодная матрица Шоттки BAT54S для выполнения следующих функций:

Защита от обратного подключения: параллельное подключение к клемме входной мощности. При изменении полярности питания диод переворачивается и отключается, блокируя путь тока.
Выбор пути питания: в системе питания с двумя батареями основной и резервный источники питания автоматически переключаются через диоды, чтобы обеспечить непрерывное питание.
Защита ограничения тока: подключается последовательно со цепью привода двигателя, используя падение напряжения для ограничения пускового тока и предотвращения скачка тока при блокировке двигателя.
2. Высокомощное медицинское оборудование: оптимизация ударопрочности и стабильности.
В таких устройствах, как дефибрилляторы и высокочастотные электрические ножи, приходится иметь дело с кратковременными скачками сильного тока. На этом этапе ключевыми компонентами становятся диоды с быстрым восстановлением (FRD) и карбидокремниевые (SiC) диоды:

Схема зарядки дефибриллятора: используется модуль Шоттки MBR30200PT (30 А/200 В) с временем обратного восстановления (trr) менее 5 нс, что позволяет предотвратить скачки напряжения, вызванные задержкой переключения диода во время зарядки, и защитить конденсаторы высокого-напряжения от пробоя из-за перенапряжения.
Высокочастотный электрический ножевой выходной каскад: использование SiC-диода Шоттки C6D10065A (100 А/650 В), его низкое прямое падение напряжения (1,5 В) и высокая термостойкость (температура перехода 175 градусов) обеспечивают снижение собственного энергопотребления диода на 60 % во время высокочастотной резки на частоте 1 МГц, избегая при этом снижения производительности, вызванного перегревом.
3. Прецизионные медицинские инструменты: целостность сигнала и защита от-помех.
В таких устройствах, как электрокардиографы и электроэнцефалографы, получение слабых биоэлектрических сигналов требует строгого подавления шума. На этом этапе решающее значение приобретает совместная разработка фотодиодов и защитных диодов:

Изоляция оптоэлектронной связи. В канале входного сигнала используется оптопара 6N137 для обеспечения электрической изоляции и блокировки синфазных помех за счет фотоэлектрического преобразования диодов.
Защита от электростатического разряда: на интерфейсе датчика установлен параллельный диод Шоттки ESD5D150TA с низким током утечки (<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. Инновационный дизайн: совместная защита диодов и других компонентов.
1. Композитная схема защиты: диод + ТВС-диод.
В модуле передачи изображения медицинских эндоскопов используется составная схема защиты «диод Шоттки + ТВС-диод» для предотвращения переходных перенапряжений, вызванных ударами молнии или статическим электричеством:

Диод Шоттки: подключен параллельно к входной клемме питания, обеспечивая ежедневную защиту от обратного хода.
TVS-диод: последовательно подключен к сигнальной линии, имеет сверхбыстрое время отклика (<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. Защита от самовосстановления: диод + термистор PTC.
В цепи зарядки носимых медицинских устройств (таких как смарт-браслеты) используется схема защиты с самовосстановлением «диод Шоттки + термистор PTC»:

Диод Шоттки: предотвращает обратное соединение батареи, используя при этом низкое падение напряжения для уменьшения потерь при зарядке.
Термистор PTC: последовательно подключен к пути зарядки, когда ток превышает пороговое значение, значение сопротивления PTC резко увеличивается, ограничивая ток; После устранения неполадок PTC автоматически возвращается в состояние низкого сопротивления без необходимости замены компонентов.