Kā novērst zibens spērienus un pārspriegumu TVS diodēs medicīnas iekārtās?

一, zibens spēriena un pārsprieguma draudi medicīnas iekārtām
Zibens spērieni apdraud medicīnas aprīkojumu divos veidos:

Tiešs zibens spēriens: zibens iesper ēkās vai iekārtu korpusos, izraisot pēkšņu zemes potenciāla pieaugumu, radot potenciālu starpību un sabojājot iekārtu izolāciju;
Izraisīts zibens spēriens: zibens elektromagnētiskie impulsi iekļūst iekārtās caur elektropārvades līnijām, signālu līnijām vai telpisku savienojumu, radot pārejošus augstsprieguma tapas un sabojājot jutīgas elektroniskās sastāvdaļas.
Medicīnas iekārtas ir ārkārtīgi jutīgas pret sprieguma svārstībām. Piemēram, CT skenera rentgenstaru lampai ir nepieciešams stabils līdzstrāvas augstspriegums, savukārt elektrokardiogrāfa signāla iegūšanas ķēde ir atkarīga no zema-trokšņa līdzstrāvas avota. Pārejošs pārspriegums var izraisīt aprīkojuma atteici, datu zudumus un pat sekundāras katastrofas, piemēram, ugunsgrēkus. Saskaņā ar statistiku, 80% medicīnas iekārtu bojājumu gadījumu, ko katru gadu izraisa zibens spērieni visā pasaulē, ir saistīti ar pārsprieguma ielaušanos elektrības vai signālu līnijās.

2, TVS diožu tehniskais princips un galvenās priekšrocības
TVS diode ir pusvadītāju ierīce, kuras pamatā ir PN savienojuma lavīnas sabrukšanas efekts, un tās galvenā funkcija ir:

Pārejoša reakcija: kad spriegums pārsniedz pārrāvuma spriegumu (VBR), TVS pāriet no augstas pretestības stāvokļa uz zemas pretestības stāvokli 1 nanosekundes laikā, veidojot vadošu ceļu;
Precīza iespīlēšana: maksimālās impulsa strāvas (IPP) iedarbībā nofiksējiet spriegumu pie maksimālā iespīlēšanas sprieguma (Vc), lai nodrošinātu, ka nākamās ķēdes spriegums ir zem drošības sliekšņa;
Automātiska atkopšana: pēc pārsprieguma pazušanas TVS automātiski atgriežas augstas pretestības stāvoklī bez manuālas iejaukšanās un to var izmantot atkārtoti.
Salīdzinot ar tradicionālajām aizsargierīcēm, piemēram, MOV un GDT, TVS ir šādas priekšrocības:

Īpaši ātrs reakcijas ātrums: lai vadītu MOV, nepieciešama siltuma uzkrāšanās, GDT ir nepieciešams gāzes jonizācijas laiks, un TVS reakcijas laiks sasniedz pikosekundes līmeni;
Zems iespīlēšanas spriegums: TVS dinamiskā pretestība var būt pat 0,1 Ω, un atlikušais spriegums (Vc) ir ievērojami zemāks nekā MOV;
Kompakts izmērs: Virsmas stiprinājuma TVS (piemēram, SMAJ sērijas) tilpums ir tikai 0,1 kubikcentimetrs, piemērots kompaktām medicīnas ierīcēm;
Ilgs kalpošanas laiks: tas var izturēt simtiem pārsprieguma triecienu, savukārt MOV piedzīvo ievērojamu veiktspējas pasliktināšanos pēc vairākiem triecieniem.
3, tipiski TVS diožu pielietojumi medicīnas iekārtās
1. Strāvas moduļa aizsardzība
Medicīnas iekārtu jaudas modulim ir jāpārveido tīkla jauda (220V/50Hz) stabilā līdzstrāvas spriegumā. TVS diode pārveido maiņstrāvu par pulsējošu līdzstrāvu, izmantojot tilta taisngrieža ķēdi un filtrēšanas kondensatoru, un pēc tam izvada vienmērīgu spriegumu pēc tam, kad TVS to ir nofiksējis. Piemēram, noteiktas hemodialīzes iekārtas barošanas modulī tiek izmantotas četras 1N5408 silīcija taisngrieža diodes, lai izveidotu taisngrieža ķēdi, un tas ir savienots paralēli ar SMAJ5.0CA TVS (Vc=6.5V), lai aizsargātu aizmugurējo līdzstrāvas/līdzstrāvas pārveidotāju. Kad zibens spēriens izraisa ieejas sprieguma pēkšņu palielināšanos līdz 300 V, TVS vada 10 n laikā, nospiežot spriegumu līdz 6,5 V, lai izvairītos no pārveidotāja bojājumiem.

2. Signāla līnijas aizsardzība
Medicīnisko iekārtu signālu līnijas, piemēram, elektrokardiogrāfa elektrokardiogrammas signāla uztveršanas līnija un ultraskaņas diagnostikas ierīces zondes signāla līnija, ir jutīgas pret troksni. TVS diodes ir izstrādātas ar zemu kapacitāti (piemēram, LCESerijas savienojuma kapacitāte ir tikai 0,5 pF), lai nomāktu pārspriegumus, vienlaikus samazinot signāla kropļojumus. Piemēram, 12 vadu elektrokardiogrammas iekārta izmanto BAS70-04 tipa ierobežojošo diode (Vc=7V), lai aizsargātu elektrokardiogrammas signāla ievades galu. Kad signāla spriegums pārsniedz ± 7 V, TVS vada, ierobežojot spriegumu drošā diapazonā un nodrošinot, ka elektrokardiogrammas viļņu formas signāla -trokšņa attiecība (SNR) ir lielāka vai vienāda ar 60 dB.

3. Sakaru saskarnes aizsardzība
Medicīnisko iekārtu, piemēram, RS-485 un CAN kopnes, sakaru saskarnēm jāatbilst elektromagnētiskās saderības (EMC) prasībām. TVS diodes aizsargā diferenciālā signāla līnijas, izmantojot divvirzienu konfigurāciju. Piemēram, bezēnas gaismas RS-485 sakaru interfeiss noteiktā operāciju zālē izmanto SR05-4 divvirzienu TVS (Vc=10V). Kad zibens izraisīts spriegums tiek pārraidīts pa vītā pāri, GDT (gāzizlādes caurule) vispirms vada un pastiprina strāvu, un TVS uztver un 1ns laikā nofiksē atlikušo strauji augošo malu zem 10 V, lai nodrošinātu nepārtrauktu saziņu.

4, TVS diožu izvēles un projektēšanas punkti
1. Galveno parametru izvēle
Reversais izslēgšanas spriegums (VRMM): tam jābūt nedaudz augstākam par aizsargātās ķēdes parasto darba spriegumu. Piemēram, 12 V barošanas ķēdei jāizvēlas TV ar VRMM=14V;
Pārrāvuma spriegums (VBR): parasti 1,1–1,2 reizes lielāks par VRMM, nodrošinot nepareizu darbību normālu sprieguma svārstību laikā;
Maksimālais iespīlēšanas spriegums (Vc): jābūt zemākam par nākamās ķēdes absolūto maksimālo noturības spriegumu. Piemēram, 3,3 V MCU IO porta izturības spriegums ir 5,5 V, un TVS Vc jābūt mazākam par 4,5 V vai vienādam ar to;
Maksimālā impulsa strāva (IPP): tā ir jāizvēlas saskaņā ar pārsprieguma pārbaudes standartiem (piemēram, IEC 61000-4-5 4. līmenis). Piemēram, veicot ± 4kV pārsprieguma pārbaudi, ir jāizvēlas TVS ar IPP, kas ir lielāks vai vienāds ar 1500 W;
Savienojuma kapacitāte (Cj): zemas kapacitātes TVS (piemēram, SACSerijas savienojuma kapacitāte Mazāka vai vienāda ar 0,3 pF) liela ātruma signāla līnijām ir jāizvēlas, lai izvairītos no signāla kropļojumiem.
2. Daudzlīmeņu aizsardzības dizains
Medicīnas iekārtas parasti izmanto trīs{0}līmeņu aizsardzības shēmu “GDT+TVS+filtrēšana”:

Pirmais līmenis (GDT): atbild par vairāk nekā 90% enerģijas izdalīšanas, ar augstu spiediena pretestību un lielu strāvas plūsmu, bet lēnu reakciju;
2. līmenis (TVS): ātra reakcija uz atlikušajiem tapas, precīza iespīlēšana līdz IC pieņemamam diapazonam;
Trešais līmenis (filtrēšana): augstas-frekvences trokšņu slāpēšanai tiek izmantots π - tipa filtrs, kas sastāv no magnētiskām lodītēm un keramiskajiem kondensatoriem.
Starp dažādiem līmeņiem ir jāsaglabā atbilstošs šļūdes attālums (lielāks vai vienāds ar 2 mm), lai izvairītos no PCB virsmas augsta sprieguma pārrāvuma.

3. Izkārtojums un siltuma izkliedes optimizācija
Iekārtojiet pie savienotāja ieejas: samaziniet vadu parazitāro induktivitāti. Par katru induktivitātes pieaugumu par 1nH tiks ģenerēts papildu sprieguma kritums pie lieliem di/dt pārspriegumiem;
Liela laukuma vara savienojuma aizsardzības zemējums (PGND): ieteicams, lai vadu platums būtu lielāks par vai vienāds ar 20 miliem, lai izvairītos no pārsprieguma strāvas, kas iet caur digitālo iezemējuma plakni;
Siltuma izkliedes dizains: zem lieljaudas -TVS (piemēram, SMC, DO-201 iepakojuma) ir jāpievieno siltuma izkliede, izmantojot masīvu, un, ja nepieciešams, jāizmanto siltumvadoša silikona smērviela.