Как использовать диоды в медицинской изоляции?

一, Основной принцип изолирующей защиты заключается в блокировании электрических путей и подавлении распространения помех.
Основная цель медицинской изоляции электропитания — разорвать прямое электрическое соединение между цепью пациента и электросетью, предотвращая прохождение тока утечки через тело человека и образование микроэлектрического удара (допустимое значение Меньше или равно 10 мкА). Диод обеспечивает изоляционную защиту с помощью следующего механизма:

Однонаправленная проводимость, блокирующая обратный ток. В изолированных источниках питания диоды комбинируются с такими компонентами, как трансформаторы и оптопары, для формирования однонаправленного пути тока. Например, в обратноходовом преобразователе выходной диод пропускает ток только от вторичной обмотки трансформатора к нагрузке, блокируя обратный ток и предотвращая влияние неисправностей на стороне сети на контур пациента.
Подавление переходного перенапряжения: диоды подавления переходного напряжения (TVS) могут реагировать на события перенапряжения за наносекунды и фиксировать напряжение до безопасного уровня. На входе питания медицинского оборудования TVS-диоды могут поглощать помехи, такие как удары молнии и быстрые переходные процессы (EFT), защищая нижестоящую цепь от ударов высокого напряжения.
Оптоэлектронная изоляция для передачи сигналов: светоизлучающий-диод и фотодиод в оптопаре передают электрические сигналы посредством оптических сигналов, полностью изолируя электрические соединения между входными и выходными клеммами. Например, в изолированном аппарате для электрокардиограммы оптопара преобразует электрический сигнал поверхности пациента в оптический сигнал, который затем восстанавливается в электрический сигнал для устранения помех от земли.
2. Типичный сценарий применения: полный охват сцены от операционных до портативных устройств.
1. Система изолированного электроснабжения операционной.
Медицинские учреждения класса II, такие как операционные, должны внедрить ИТ-системы (режим незаземленного электропитания) и построить безопасную сеть электропитания с помощью изолирующих трансформаторов, устройств контроля изоляции и терминалов сигнализации. Диод играет в этой системе двойную роль:

Изоляция обратноходового преобразователя. В изолированном преобразователе постоянного тока диоды и трансформаторы работают вместе, обеспечивая изоляцию входа-выхода. Например, микросхема Lingli Te LT8300 определяет выходное напряжение, определяя основное напряжение на клеммах трансформатора, и может обеспечить обратную связь по развязке без необходимости использования оптопар, что упрощает конструкцию и повышает надежность.
Защита от повреждения изоляции: когда на вторичной стороне изолирующего трансформатора происходит повреждение изоляции заземления, схема диодного зажима ограничивает ток утечки до уровня микроампер, чтобы избежать риска поражения электрическим током пациента. В то же время устройство контроля изоляции подает сигнал тревоги, отслеживая изменения сопротивления изоляции, обеспечивая хирургическую безопасность.
2. Защита электропитания портативных медицинских устройств.
Портативные мониторы, инфузионные насосы и другое оборудование должны стабильно работать в сложных электромагнитных условиях, а диоды обеспечивают защиту следующими методами:

Защита от электростатического разряда: на пути получения сигнала ЭКГ TVS-диод SMBJ5.0CA фиксирует напряжение электростатического разряда на безопасном уровне, защищая инструментальные усилители с высоким входным сопротивлением от повреждений. Время отклика достигает пикосекундного уровня, что позволяет эффективно подавлять статическое электричество человека (± 15 кВ) и статическое электричество, создаваемое трением оборудования.
Защита от обратного напряжения: в солнечной фотоэлектрической вспомогательной системе электропитания диоды предотвращают обратный поток тока сети в фотоэлектрическую панель, избегая повреждения оборудования. Например, ночью или в пасмурные дни характеристика отключения диода может блокировать обратный ток, обеспечивая безопасность инвертора.
3. Энергетический контроль-высокочастотного хирургического оборудования.
Высокочастотные электрические ножи, устройства лазерной терапии и другое оборудование требуют точного контроля выходной энергии, а защита диодов достигается за счет следующих механизмов:

Свободный ход диода быстрого восстановления (FRD): В цепях привода двигателя FRD обеспечивает обратный путь тока, когда реле выключено, поглощая энергию обратной электродвижущей силы двигателя и защищая силовые устройства от скачков напряжения. Время обратного восстановления сокращено до 20 нс, что на 30% эффективнее, чем у традиционных кремниевых диодов.
Регулирование мощности лазера: с помощью диода с быстрым восстановлением и полевого МОП-транзистора для формирования переключающей схемы угол проводимости диода регулируется для управления током возбуждения лазерного диода, обеспечивая плавную регулировку выходной мощности и одновременно предотвращая повреждение лазера из-за перегрузки по току.
3. Выбор технологии и стратегия оптимизации: баланс производительности, стоимости и надежности.
1. Согласование параметров устройства
Выбор TVS-диода: необходимо учитывать такие параметры, как максимальное напряжение ограничения (VC), минимальное напряжение пробоя (VBR) и пиковую импульсную мощность (PPP). Например, во входной цепи переменного тока 220 В следует выбирать TVS-диоды с напряжением Vbr выше или равным 600 В и мощностью PPP выше или равным 600 Вт, чтобы обеспечить безопасность оборудования при грозовом перенапряжении (форма сигнала 8/20 мкс).
Выдерживаемое напряжение изолирующего диода. В изолированном источнике питания обратное выдерживаемое напряжение диода должно быть в 1,5 раза выше, чем вторичное напряжение трансформатора. Например, в системе с выходом 48 В следует выбирать диоды Шоттки с обратным выдерживаемым напряжением больше или равным 100 В, чтобы избежать пробоя по напряжению.
2. Инновация топологии
Многоуровневая архитектура защиты: используется трехуровневая защита «GDT+MOV+TVS», GDT поглощает первичную энергию перенапряжения, MOV подавляет промежуточное перенапряжение, TVS фиксирует остаточное напряжение и постепенно обеспечивает ослабление энергии. Например, в источниках питания медицинских рентгеновских аппаратов эта архитектура позволяет снизить напряжение грозового перенапряжения с 8 кВ до безопасного уровня.
Встроенный модуль защиты: выберите диодную матрицу TVS или модуль защиты от электростатического разряда, чтобы уменьшить пространство для размещения на печатной плате. Например, массив TVS серии Littelfuse SP1003 может объединять четыре защиты сигнала на одном кристалле, уменьшая влияние паразитной емкости на высокоскоростные-сигналы.
3. Управление температурным режимом и повышение надежности.
Конструкция рассеивания тепла. В приложениях с высокой-мощностью диоды должны быть оснащены радиаторами или радиаторами. Например, в градиентных усилителях для медицинской магнитно-резонансной томографии (МРТ) SiC-диоды Шоттки рассеивают тепло через медную подложку, обеспечивая температуру перехода ниже 150 градусов.
Резервированная конструкция: несколько параллельных диодов в критических цепях для повышения отказоустойчивости системы. Например, в цепи зарядки высоковольтного конденсатора дефибриллятора двойные TVS-диоды подключаются параллельно, чтобы предотвратить отказ оборудования, вызванный отказом одной точки.