Как предотвратить удары молний и скачки напряжения в ТВС-диодах медицинского оборудования?

一, Угроза ударов молний и скачков напряжения для медицинского оборудования
Удары молний угрожают медицинскому оборудованию двумя способами:

Прямой удар молнии: молния попадает в здания или корпуса оборудования, вызывая внезапное повышение потенциала земли, создавая разность потенциалов и повреждая изоляцию оборудования;
Вызванный удар молнии: электромагнитные импульсы молнии проникают в оборудование через линии электропередачи, сигнальные линии или пространственную связь, генерируя переходные скачки высокого напряжения и повреждая чувствительные электронные компоненты.
Медицинское оборудование чрезвычайно чувствительно к колебаниям напряжения. Например, рентгеновская трубка компьютерного томографа требует стабильного высокого напряжения постоянного тока, а схема приема сигнала электрокардиографа использует малошумящий источник постоянного тока. Переходное перенапряжение может вызвать сбой оборудования, потерю данных и даже вторичные катастрофы, такие как пожары. По статистике, 80% случаев повреждения медицинского оборудования, вызванных ударами молнии каждый год во всем мире, связаны с проникновением перенапряжения в линии электропередачи или сигнальные линии.

2. Технический принцип и основные преимущества TVS-диодов.
TVS-диод представляет собой полупроводниковый прибор, основанный на эффекте лавинного пробоя PN-перехода, и его основная функция:

Переходный процесс: когда напряжение превышает напряжение пробоя (VBR), TVS переходит из состояния с высоким сопротивлением в состояние с низким сопротивлением в течение 1 наносекунды, образуя проводящий путь;
Точный зажим: под действием пикового импульсного тока (IPP) зафиксируйте напряжение на максимальном напряжении зажима (Vc), чтобы гарантировать, что напряжение последующей цепи ниже порога безопасности;
Автоматическое восстановление: после исчезновения перенапряжения TVS автоматически возвращается в состояние высокого импеданса без ручного вмешательства и может быть использован повторно.
По сравнению с традиционными защитными устройствами, такими как MOV и GDT, TVS имеет следующие преимущества:

Чрезвычайно высокая скорость отклика: MOV требует накопления тепла для проведения, GDT требует времени ионизации газа, а время отклика TVS достигает пикосекундного уровня;
Низкое напряжение фиксации: динамическое сопротивление TVS может составлять всего 0,1 Ом, а остаточное напряжение (Vc) значительно ниже, чем у MOV;
Компактный размер: телевизоры для поверхностного монтажа (например, серии SMAJ) имеют объем всего 0,1 куб. сантиметра, подходят для компактных медицинских устройств;
Длительный срок службы: он может выдерживать сотни ударов, в то время как MOV испытывают значительное снижение производительности после нескольких ударов.
3. Типичные применения TVS-диодов в медицинском оборудовании.
1. Защита силового модуля
Модуль питания медицинского оборудования должен преобразовывать сетевое напряжение (220 В/50 Гц) в стабильное напряжение постоянного тока. TVS-диод преобразует мощность переменного тока в пульсирующую мощность постоянного тока через мостовую схему выпрямителя и фильтрующий конденсатор, а затем выдает плавное напряжение после ограничения TVS. Например, в модуле питания определенного аппарата для гемодиализа используются четыре кремниевых выпрямительных диода 1N5408 для формирования схемы выпрямителя, которые подключаются параллельно SMAJ5.0CA TVS (Vc=6.5V) для защиты заднего преобразователя постоянного тока в постоянный. Когда удары молнии приводят к внезапному увеличению входного напряжения до 300 В, TVS проводит ток в течение 10 нс, фиксируя напряжение до 6,5 В, чтобы избежать повреждения преобразователя.

2. Защита сигнальной линии
Сигнальные линии медицинского оборудования, такие как линия приема сигнала электрокардиограммы электрокардиографа и линия зондового сигнала аппарата ультразвуковой диагностики, чувствительны к помехам. TVS-диоды имеют низкую емкость (например, емкость перехода LCESeries всего 0,5 пФ) для подавления скачков напряжения и одновременного уменьшения искажений сигнала. Например, в аппарате для электрокардиограммы с 12 отведениями используется ограничивающий диод типа BAS70-04 (Vc=7V) для защиты входного конца сигнала электрокардиограммы. Когда напряжение сигнала превышает ±7 В, TVS проводит ток, ограничивая напряжение в безопасном диапазоне и обеспечивая соотношение сигнал-шум (SNR) сигнала электрокардиограммы больше или равное 60 дБ.

3. Защита интерфейса связи.
Коммуникационные интерфейсы медицинского оборудования, такие как RS-485 и CAN-шина, должны соответствовать требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС). TVS-диоды защищают линии дифференциальных сигналов благодаря двунаправленной конфигурации. Например, интерфейс связи RS-485 для бестеневого освещения в определенной операционной использует двунаправленный TVS SR05-4 (Vc=10V). Когда напряжение, индуцированное молнией, передается по витой паре, GDT (газоразрядная трубка) сначала проводит и усиливает ток, а остаточный быстрый нарастающий фронт улавливается и фиксируется TVS до уровня ниже 10 В в течение 1 нс, чтобы обеспечить бесперебойную связь.

4. Выбор и конструкция TVS-диодов.
1. Выбор ключевых параметров
Обратное напряжение отключения (VRMM): оно должно быть немного выше нормального рабочего напряжения защищаемой цепи. Например, для схемы питания 12 В следует выбрать TVS с напряжением VRMM=14В;
Напряжение пробоя (VBR): обычно в 1,1–1,2 раза больше, чем VRMM, что обеспечивает отсутствие сбоев в работе при нормальных колебаниях напряжения;
Максимальное напряжение фиксации (Vc): должно быть ниже абсолютного максимального выдерживаемого напряжения последующей цепи. Например, выдерживаемое напряжение порта ввода-вывода микроконтроллера с напряжением 3,3 В составляет 5,5 В, а напряжение Vc TVS должно быть меньше или равно 4,5 В;
Пиковый импульсный ток (IPP): его необходимо выбирать в соответствии со стандартами испытаний на перенапряжение (например, IEC 61000-4-5, уровень 4). Например, при испытаниях на перенапряжение ± 4 кВ необходимо выбрать TVS с IPP выше или равным 1500 Вт;
Емкость перехода (Cj): Низкая емкость TVS (например, емкость перехода SACSeries меньше или равна 0,3 пФ) должна выбираться для высокоскоростных сигнальных линий, чтобы избежать искажения сигнала.
2. Многоуровневая защита.
В медицинском оборудовании обычно используется трехуровневая схема защиты:-GDT+TVS+фильтрация:

Первый уровень (GDT): отвечает за более 90% выделения энергии, с высоким сопротивлением давлению и большим током, но медленным откликом;
Уровень 2 (TVS): быстрая реакция на остаточные выбросы, точное ограничение допустимого диапазона IC;
Третий уровень (фильтрация). Фильтр типа π -, состоящий из магнитных шариков и керамических конденсаторов, используется для подавления высокочастотного шума.-
Между различными уровнями следует поддерживать достаточное расстояние утечки (более или равное 2 мм), чтобы избежать пробоя поверхности печатной платы под высоким-напряжением.

3. Оптимизация компоновки и рассеивания тепла.
Расположить возле входа разъема: уменьшить паразитную индуктивность проводки. При каждом увеличении индуктивности на 1 нГн будет возникать дополнительное падение напряжения при высоких скачках напряжения di/dt;
Защитное заземление медных соединений большой площади (PGND): рекомендуется иметь ширину проводов не менее 20 мил, чтобы избежать прохождения импульсных токов через цифровую заземляющую плоскость;
Конструкция рассеивания тепла. Под телевизорами высокой мощности (например, SMC, DO-201) необходимо предусмотреть систему рассеивания тепла через массив, а при необходимости следует использовать теплопроводящую силиконовую смазку.