Jak zapobiegać uderzeniom piorunów i przepięciom diod TVS w sprzęcie medycznym?

一, Zagrożenie uderzeniem pioruna i przepięciem sprzętu medycznego
Uderzenia piorunów zagrażają sprzętowi medycznemu na dwa sposoby:

Bezpośrednie uderzenie pioruna: Piorun uderza w budynki lub obudowy sprzętu, powodując nagły wzrost potencjału uziemienia, tworząc różnicę potencjałów i uszkadzając izolację sprzętu;
Indukowane uderzenie pioruna: Piorunowe impulsy elektromagnetyczne atakują sprzęt poprzez linie energetyczne, linie sygnałowe lub sprzężenia przestrzenne, generując przejściowe skoki wysokiego napięcia i uszkadzając wrażliwe komponenty elektroniczne.
Sprzęt medyczny jest niezwykle wrażliwy na wahania napięcia. Na przykład lampa rentgenowska tomografu komputerowego wymaga stabilnego, wysokiego napięcia prądu stałego, podczas gdy obwód akwizycji sygnału elektrokardiografu opiera się na zasilaczu prądu stałego o niskim-szumach. Przejściowe przepięcie może spowodować awarię sprzętu, utratę danych, a nawet wtórne katastrofy, takie jak pożary. Według statystyk, każdego roku na całym świecie 80% przypadków uszkodzeń sprzętu medycznego spowodowanych uderzeniami pioruna ma związek z przepięciami w liniach energetycznych lub sygnałowych.

2, Zasada techniczna i podstawowe zalety diod TVS
Dioda TVS jest urządzeniem półprzewodnikowym wykorzystującym efekt przebicia lawinowego złącza PN, a jej podstawową funkcją jest:

Reakcja przejściowa: Gdy napięcie przekracza napięcie przebicia (VBR), TVS przechodzi ze stanu o wysokiej rezystancji do stanu o niskiej rezystancji w ciągu 1 nanosekundy, tworząc ścieżkę przewodzącą;
Precyzyjne zaciskanie: Pod wpływem szczytowego prądu impulsowego (IPP) należy zacisnąć napięcie na poziomie maksymalnego napięcia zaciskania (Vc), aby napięcie w kolejnym obwodzie znajdowało się poniżej progu bezpieczeństwa;
Automatyczne przywracanie: po ustąpieniu przepięcia TVS automatycznie powraca do stanu wysokiej impedancji bez ręcznej interwencji i może być ponownie użyty.
W porównaniu do tradycyjnych urządzeń zabezpieczających, takich jak MOV i GDT, TVS ma następujące zalety:

Niezwykle duża szybkość reakcji: MOV do przewodzenia wymaga akumulacji ciepła, GDT wymaga czasu jonizacji gazu, a czas reakcji TVS osiąga poziom pikosekundy;
Niskie napięcie zaciskania: rezystancja dynamiczna TVS może wynosić zaledwie 0,1 Ω, a napięcie resztkowe (Vc) jest znacznie niższe niż MOV;
Kompaktowy rozmiar: Telewizory do montażu powierzchniowego (takie jak seria SMAJ) mają objętość zaledwie 0,1 centymetra sześciennego, co jest odpowiednie dla kompaktowych urządzeń medycznych;
Długa żywotność: może wytrzymać setki uderzeń przepięciowych, podczas gdy MOV doświadczają znacznego pogorszenia wydajności po wielokrotnych uderzeniach.
3, Typowe zastosowania diod TVS w sprzęcie medycznym
1. Zabezpieczenie modułu mocy
Moduł zasilania sprzętu medycznego musi przekształcić zasilanie sieciowe (220 V/50 Hz) w stabilne napięcie prądu stałego. Dioda TVS przekształca energię prądu przemiennego w pulsującą moc prądu stałego poprzez obwód prostownika mostkowego i kondensator filtrujący, a następnie po zaciśnięciu przez TVS wyprowadza gładkie napięcie. Na przykład moduł zasilania pewnego urządzenia do hemodializy wykorzystuje cztery krzemowe diody prostownicze 1N5408 do utworzenia obwodu prostownika i jest połączony równolegle z SMAJ5.0CA TVS (Vc=6.5V) w celu ochrony tylnego przetwornika DC/DC. Kiedy uderzenie pioruna powoduje nagły wzrost napięcia wejściowego do 300 V, TVS przewodzi w ciągu 10 ns, ograniczając napięcie do 6,5 V, aby uniknąć uszkodzenia konwertera.

2. Ochrona linii sygnałowej
Linie sygnałowe sprzętu medycznego, takie jak linia gromadzenia sygnału elektrokardiogramu elektrokardiografu i linia sygnału sondy ultradźwiękowego urządzenia diagnostycznego, są wrażliwe na szum. Diody TVS zostały zaprojektowane z niską pojemnością (np. pojemność złącza LCESeries wynoszącą zaledwie 0,5 pF), aby tłumić przepięcia, jednocześnie redukując zniekształcenia sygnału. Na przykład 12-odprowadzeniowy elektrokardiogram wykorzystuje diodę ograniczającą typu BAS70-04 (Vc=7V) do ochrony wejściowej strony sygnału elektrokardiogramu. Gdy napięcie sygnału przekracza ± 7 V, TVS przewodzi, ograniczając napięcie w bezpiecznym zakresie i zapewniając, że stosunek sygnału do szumu (SNR) przebiegu elektrokardiogramu jest większy lub równy 60 dB.

3. Ochrona interfejsu komunikacyjnego
Interfejsy komunikacyjne sprzętu medycznego, takie jak RS-485 i magistrala CAN, muszą spełniać wymagania kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Diody TVS chronią linie sygnału różnicowego poprzez konfigurację dwukierunkową. Na przykład interfejs komunikacyjny RS-485 bezcieniowego światła w określonej sali operacyjnej wykorzystuje dwukierunkowy TVS SR05-4 (Vc=10V). Kiedy napięcie wywołane piorunem jest przesyłane wzdłuż skrętki, lampa wyładowcza GDT (gazowa rura wyładowcza) najpierw przewodzi i wzmacnia prąd, a szczątkowe szybko narastające zbocze jest wychwytywane i ograniczane przez TVS do wartości poniżej 10 V w ciągu 1 ns, aby zapewnić nieprzerwaną komunikację.

4, Punkty doboru i projektowania diod TVS
1. Dobór kluczowych parametrów
Odwrotne napięcie odcięcia (VRMM): powinno być nieco wyższe niż normalne napięcie robocze chronionego obwodu. Na przykład obwód zasilania 12 V powinien wybrać TVS z VRMM=14V;
Napięcie przebicia (VBR): zwykle 1,1-1,2 razy większe niż VRMM, co zapewnia brak nieprawidłowego działania podczas normalnych wahań napięcia;
Maksymalne napięcie zaciskania (Vc): musi być niższe niż bezwzględne maksymalne napięcie wytrzymywane kolejnego obwodu. Na przykład napięcie wytrzymywane portu IO mikrokontrolera 3,3 V wynosi 5,5 V, a napięcie Vc telewizora powinno być mniejsze lub równe 4,5 V;
Szczytowy prąd impulsowy (IPP): Należy go wybrać zgodnie ze standardami testowania udarów (takimi jak IEC 61000-4-5 poziom 4). Na przykład, w obliczu testów udarowych ± 4 kV, należy wybrać TVS z IPP większym lub równym 1500 W;
Pojemność złącza (Cj): TVS o małej pojemności (np. pojemność złącza serii SACS mniejsza lub równa 0,3 pF) powinna być wybrana dla szybkich-linii sygnałowych, aby uniknąć zniekształceń sygnału.
2. Wielopoziomowy projekt ochrony
W sprzęcie medycznym stosuje się zazwyczaj trzy-schemat ochrony „GDT+TVS+filtrowanie”:

Poziom pierwszy (GDT): odpowiedzialny za ponad 90% uwalniania energii, z dużą odpornością na ciśnienie i dużym przepływem prądu, ale z powolną reakcją;
Poziom 2 (TVS): Szybka reakcja na resztkowe impulsy, precyzyjne mocowanie w akceptowalnym zakresie IC;
Poziom trzeci (filtrowanie): filtr typu π - składający się z kulek magnetycznych i kondensatorów ceramicznych służy do tłumienia szumów o-wysokiej częstotliwości.
Należy zachować odpowiednią odległość upływu (większą lub równą 2 mm) pomiędzy różnymi poziomami, aby uniknąć przebicia powierzchni PCB pod wysokim-napięciem.

3. Optymalizacja układu i odprowadzania ciepła
Umieścić w pobliżu wejścia złącza: zmniejszyć pasożytniczą indukcyjność okablowania. Na każdy 1nH wzrost indukcyjności, w przypadku wysokich przepięć di/dt, wygenerowany zostanie dodatkowy spadek napięcia;
Uziemienie ochronne połączenia miedzianego o dużej powierzchni (PGND): Zaleca się, aby szerokość okablowania była większa lub równa 20 mil, aby uniknąć przepływu prądów udarowych przez cyfrową płaszczyznę uziemienia;
Projekt rozpraszania ciepła: pod telewizorami-o dużej mocy (takimi jak SMC, opakowanie DO-201) należy zastosować rozpraszanie ciepła za pomocą układu, a w razie potrzeby należy zastosować smar silikonowy przewodzący ciepło.