Как диоды предотвращают скачки тока в мониторах жизненно важных функций?

一, Текущий риск скачков в устройствах мониторинга жизненно важных функций
Основные модули устройства для мониторинга показателей жизнедеятельности включают фотоэлектрические датчики, схемы сбора биоэлектрического потенциала и блоки управления питанием. Текущий риск резкого роста в основном исходит из следующих сценариев:

Входная клемма питания: во время работы сетевых волн или зарядки и разрядки аккумулятора скачки переходного напряжения могут превысить значение выдерживаемого напряжения оборудования, что приведет к пробою цепи.
Интерфейс датчика: фотодиоды (датчики PPG) чувствительны к световым помехам окружающей среды или электростатическим разрядам при приеме сигналов отраженного света, что приводит к перегрузке сигнала.
Регистрация биоэлектрического потенциала. При контакте электродов ЭКГ с кожей из-за статического электричества человека или электромиографических помех может возникнуть кратковременное высокое напряжение, которое может повредить предусилитель.
Высокочастотный импульсный источник питания. Внутренние преобразователи постоянного-постоянного тока могут вызывать звон напряжения и электромагнитные помехи (EMI) из-за плохих характеристик обратного восстановления диода во время переключения.
2. Основной технический принцип диода для предотвращения скачков тока.
1. Подавление переходного напряжения (TVS): «предохранительный клапан» с реакцией наносекундного уровня.
TVS-диоды быстро проводят ток, когда напряжение превышает напряжение пробоя (Vbr) за счет нелинейных вольт-амперных характеристик, ограничивая перенапряжение в безопасном диапазоне. Его время отклика составляет всего 1 пс, что позволяет эффективно поглощать переходную энергию, такую ​​как удары молнии и электростатический разряд. Например, в схеме драйвера светодиодов пульсоксиметра двунаправленный TVS-диод (такой как SMAJ5.0A) может одновременно подавлять всплески положительного и отрицательного напряжения, защищая фотодиод от электростатического удара.

2. Оптимизация функции обратного восстановления: устранение шума переключения.
Диоды с быстрым восстановлением (FRD) и диоды Шоттки уменьшают звон напряжения в высокочастотных импульсных источниках питания за счет сокращения времени обратного восстановления (TRR). Например, в преобразователе постоянного тока-постоянного тока схемы регистрации ЭКГ используется диод Шоттки MBR30200PT (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. Защита от ограничения тока: плавный пуск и управление температурой.
Подключите термистор NTC последовательно с клеммой входного питания и используйте его высокое сопротивление в холодном состоянии (например, 5 Ом для модели 5D-9 при 25 градусах), чтобы ограничить импульсный ток при включении. После нагревания тока значение сопротивления падает до<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. Ограничение и стабилизация напряжения: защита чувствительных цепей
Стабилитроны обеспечивают стабильное опорное напряжение для усилителей биоэлектрического потенциала за счет постоянства напряжения в области обратного пробоя. Например, серия микросхем AD8233 имеет внутренний диод-регулятор напряжения, который может сжимать диапазон колебаний входного напряжения схемы усиления сигнала ЭКГ от ± 20% до ± 1%, обеспечивая точность определения частоты сердечных сокращений.

3. Типичные сценарии применения и решения.
1. Защита датчика фотоплетизмографии (ФПГ).
В оксиметре красный светодиод (660 нм) и инфракрасный светодиод (940 нм) попеременно излучают свет, а фотодиод принимает отраженный свет и преобразует его в электрический сигнал. Чтобы предотвратить воздействие электростатического разряда, двунаправленный TVS-диод (например, P6SMB15CA) должен быть подключен параллельно к интерфейсу датчика с напряжением ограничения 15 В, который может поглощать ± 8 кВ энергии электростатического разряда. В то же время диоды Шоттки (например, BAT54S) подключаются последовательно в схему управления светодиодами, чтобы снизить энергопотребление за счет использования низкого прямого падения напряжения (0,15 В) и избежать снижения срока службы светодиодов, вызванного чрезмерным током.

2. Защита схемы регистрации биоэлектрического потенциала ЭКГ.
Когда электроды ЭКГ вступают в контакт с кожей, статическое электричество человека может генерировать переходное напряжение в тысячи вольт. Путем параллельного подключения TVS-диодов (таких как SMAJ12CA) на входе электрода напряжение можно ограничить до уровня ниже 12 В, защищая предусилитель (например, AD8221) от повреждения. Кроме того, на входе питания используется комбинация мостового выпрямителя + NTC-термистора для подавления импульсного тока, вызванного колебаниями сетевой волны, и обеспечения стабильности регистрации сигнала ЭКГ.

3. Управление питанием портативного устройства
В портативных мониторах, таких как смарт-браслеты, схема зарядки и разрядки аккумулятора должна справляться с кратковременными скачками тока. При использовании SiC-диодов Шоттки (таких как C6D10065A) вместо традиционных кремниевых диодов время обратного восстановления близко к нулю, что позволяет снизить потери на переключение на 60% и выдерживать переходные токи до 100 А, избегая повреждения оборудования, вызванного перезарядкой батареи или короткими замыканиями. Кроме того, в USB-интерфейс зарядки встроен диод для защиты от электростатического разряда (например, ESD5D150TA), который снимает статическое электричество напряжением ± 15 кВ и защищает внутреннюю микросхему зарядки.