Hvordan forhindre lynnedslag og overspenninger i TVS-dioder i medisinsk utstyr?

一, Trusselen om lynnedslag og overspenning til medisinsk utstyr
Lynnedslag truer medisinsk utstyr på to måter:

Direkte lynnedslag: Lyn slår ned i bygninger eller utstyrsrom, forårsaker en plutselig økning i jordpotensiale, skaper en potensiell forskjell og skader utstyrsisolasjonen;
Indusert lynnedslag: Elektromagnetiske lynpulser invaderer utstyr gjennom kraftledninger, signallinjer eller romlig kobling, og genererer forbigående høyspenningstopper og skader sensitive elektroniske komponenter.
Medisinsk utstyr er ekstremt følsomt for spenningssvingninger. For eksempel krever røntgenrøret til en CT-skanner stabil DC-høyspenning, mens signalinnsamlingskretsen til en elektrokardiograf er avhengig av en DC-strømforsyning med lav-støy. Forbigående overspenning kan forårsake utstyrssvikt, tap av data og til og med sekundære katastrofer som brann. I følge statistikk er 80 % av skadetilfellene for medisinsk utstyr forårsaket av lynnedslag over hele verden hvert år relatert til overspenningsinntrenging i strøm- eller signallinjer.

2, Det tekniske prinsippet og kjernefordelene til TVS-dioder
TVS-diode er en halvlederenhet basert på PN-krysset skredsammenbruddseffekt, og dens kjernefunksjon er:

Transient respons: Når spenningen overstiger breakdown voltage (VBR), går TVS fra en høy motstandstilstand til en lav motstandstilstand innen 1 nanosekund, og danner en ledende bane;
Nøyaktig klemme: Under påvirkning av topppulsstrøm (IPP), klem spenningen ved maksimal klemspenning (Vc) for å sikre at spenningen til den påfølgende kretsen er under sikkerhetsterskelen;
Automatisk gjenoppretting: Etter at overspenningen forsvinner, går TVS-en automatisk tilbake til en høyimpedanstilstand uten manuell inngripen og kan brukes på nytt.
Sammenlignet med tradisjonelle beskyttelsesenheter som MOV og GDT, har TVS følgende fordeler:

Ekstremt rask responshastighet: MOV krever termisk akkumulering for å lede, GDT krever gass-ioniseringstid, og TVS-responstiden når picosekundnivå;
Lav klemspenning: Den dynamiske motstanden til TVS kan være så lav som 0,1 Ω, og restspenningen (Vc) er betydelig lavere enn for MOV;
Kompakt størrelse: Overflatemontert TVS (som SMAJ-serien) har et volum på kun 0,1 kubikkcentimeter, egnet for kompakt medisinsk utstyr;
Lang levetid: Den tåler hundrevis av overspenningspåvirkninger, mens MOV-er opplever betydelig ytelsesforringelse etter flere påvirkninger.
3, Typiske bruksområder for TVS-dioder i medisinsk utstyr
1. Strømmodulbeskyttelse
Strømmodulen til medisinsk utstyr trenger å konvertere nettstrømmen (220V/50Hz) til en stabil likespenning. TVS-dioden konverterer vekselstrøm til pulserende likestrøm gjennom en bro likeretterkrets og en filtreringskondensator, og sender deretter ut en jevn spenning etter å ha blitt klemt av TVS. For eksempel bruker strømmodulen til en bestemt hemodialysemaskin fire 1N5408 silisium likeretterdioder for å danne en likeretterkrets, og er koblet parallelt med SMAJ5.0CA TVS (Vc=6.5V) for å beskytte den bakre DC/DC-omformeren. Når lynnedslag får inngangsspenningen til å plutselig øke til 300V, leder TVS innen 10ns, og klemmer spenningen til 6,5V for å unngå skade på omformeren.

2. Signallinjebeskyttelse
Signallinjene til medisinsk utstyr, slik som elektrokardiogramsignalinnsamlingslinjen til en elektrokardiograf og sondesignallinjen til en ultralyddiagnostisk enhet, er følsomme for støy. TVS-dioder er utformet med lav kapasitans (for eksempel LCESeries koblingskapasitans på bare 0,5pF) for å undertrykke overspenninger og samtidig redusere signalforvrengning. For eksempel bruker en elektrokardiogrammaskin med 12 avledninger BAS70-04 type begrensende diode (Vc=7V) for å beskytte inngangsenden til elektrokardiogramsignalet. Når signalspenningen overstiger ± 7V, leder TVS, begrenser spenningen innenfor et trygt område og sikrer at signal-til-støyforholdet (SNR) til elektrokardiogrambølgeformen er større enn eller lik 60dB.

3. Kommunikasjonsgrensesnittbeskyttelse
Kommunikasjonsgrensesnittene til medisinsk utstyr, som RS-485 og CAN-buss, må oppfylle kravene til elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). TVS-dioder beskytter differensielle signallinjer gjennom toveis konfigurasjon. For eksempel bruker RS-485-kommunikasjonsgrensesnittet til et skyggeløst lys i et bestemt operasjonsrom SR05-4 toveis TVS (Vc=10V). Når den lyninduserte spenningen overføres langs det snoede paret, leder og forsterker først GDT (gassutladningsrøret) strømmen, og den gjenværende raskt stigende flanken fanges opp og klemmes fast til under 10V av TVS innen 1 ns for å sikre uavbrutt kommunikasjon.

4, Utvalg og designpunkter for TVS-dioder
1. Valg av nøkkelparametere
Omvendt avskjæringsspenning (VRMM): Den skal være litt høyere enn den normale driftsspenningen til den beskyttede kretsen. For eksempel bør en 12V strømforsyningskrets velge en TVS med VRMM=14V;
Nedbrytningsspenning (VBR): vanligvis 1,1-1,2 ganger den for VRMM, noe som sikrer at det ikke fungerer feil under normale spenningssvingninger;
Maksimal klemspenning (Vc): må være lavere enn den absolutte maksimale motstandsspenningen for den påfølgende kretsen. For eksempel er IO-portens motstandsspenning på en 3,3V MCU 5,5V, og Vc på en TVS skal være mindre enn eller lik 4,5V;
Peak Pulse Current (IPP): Den må velges i henhold til standarder for overspenningstesting (som IEC 61000-4-5 nivå 4). For eksempel, i møte med ± 4kV overspenningstesting, må en TVS med IPP større enn eller lik 1500W velges;
Junction capacitance (Cj): Lav kapasitans TVS (som SACSeries junction capacitance Mindre enn eller lik 0,3pF) bør velges for høy-signallinjer for å unngå signalforvrengning.
2. Beskyttelsesdesign på flere nivåer
Medisinsk utstyr bruker vanligvis et tre-nivå beskyttelsesskjema med «GDT+TVS+filtrering»:

Første nivå (GDT): ansvarlig for over 90 % av energifrigjøringen, med høy trykkmotstand og stor strømflyt, men langsom respons;
Nivå 2 (TVS): Rask respons på gjenværende pigger, presis klemme til IC akseptabelt område;
Tredje nivå (filtrering): Et filter av typen π - som består av magnetiske perler og keramiske kondensatorer brukes til å undertrykke høyfrekvent støy.
Tilstrekkelig krypeavstand (større enn eller lik 2 mm) bør opprettholdes mellom ulike nivåer for å unngå høy-spenningsbrudd på PCB-overflaten.

3. Layout og varmespredningsoptimalisering
Ordne nær kontaktinngangen: reduser parasittinduktansen til ledningene. For hver 1nH økning i induktans, vil ytterligere spenningsfall genereres under høye di/dt-støt;
Stort område kobbertilkoblingsbeskyttelsesjord (PGND): Det anbefales å ha en ledningsbredde på større enn eller lik 20mil for å unngå overspenningsstrømmer som går gjennom det digitale jordplanet;
Varmespredningsdesign: En varmespredning via array bør legges til under høy-TVS (som SMC, DO-201-emballasje), og termisk ledende silikonfett bør brukes om nødvendig.