Kuinka estää salamaniskuja ja ylijännitepiikkejä lääketieteellisten laitteiden TVS-diodeissa?
Jätä viesti
一 Salamaniskujen ja lääkinnällisten laitteiden iskujen uhka
Salama uhkaa lääketieteellisiä laitteita kahdella tavalla:
Suora salamanisku: Salama iskee rakennuksiin tai laitekoteloihin aiheuttaen äkillisen kasvun maapotentiaalissa, luoden potentiaalieron ja vahingoittaen laitteiden eristystä;
Indusoitu salamanisku: Salaman sähkömagneettiset pulssit tunkeutuvat laitteisiin voimalinjojen, signaalilinjojen tai spatiaalisen kytkennän kautta, synnyttäen ohimeneviä suurjännitepiikkejä ja vahingoittaen herkkiä elektronisia komponentteja.
Lääketieteelliset laitteet ovat erittäin herkkiä jännitteen vaihteluille. Esimerkiksi CT-skannerin röntgenputki vaatii vakaan tasajännitteen, kun taas elektrokardiografin signaalinkeräyspiiri on riippuvainen matala-kohinaisesta tasavirtalähteestä. Ohimenevä ylijännite voi aiheuttaa laitevian, tietojen menetyksen ja jopa toissijaisia katastrofeja, kuten tulipaloja. Tilastojen mukaan 80 % salamaniskujen aiheuttamista lääketieteellisten laitteiden vaurioista maailmanlaajuisesti joka vuosi liittyy sähkö- tai signaalilinjoihin tunkeutumiseen.
2, TVS-diodien tekninen periaate ja keskeiset edut
TVS-diodi on puolijohdelaite, joka perustuu PN-liitoksen lumivyöryvaikutelmaan, ja sen ydintoiminto on:
Transienttivaste: Kun jännite ylittää läpilyöntijännitteen (VBR), TVS siirtyy suuren resistanssin tilasta matalan resistanssin tilaan 1 nanosekunnissa muodostaen johtavan polun;
Tarkka kiinnitys: Kiinnitä jännite huippupulssivirran (IPP) vaikutuksesta maksimikiinnitysjännitteeseen (Vc) varmistaaksesi, että seuraavan piirin jännite on turvakynnyksen alapuolella;
Automaattinen palautuminen: Kun ylijännite häviää, TVS palaa automaattisesti korkean impedanssin tilaan ilman manuaalista toimenpiteitä, ja sitä voidaan käyttää uudelleen.
Perinteisiin suojalaitteisiin, kuten MOV ja GDT, verrattuna TVS:llä on seuraavat edut:
Erittäin nopea vastenopeus: MOV vaatii lämmön kerääntymistä johtamiseen, GDT vaatii kaasun ionisaatioaikaa ja TVS:n vasteaika saavuttaa pikosekunnin tason;
Matala puristusjännite: TVS:n dynaaminen resistanssi voi olla jopa 0,1 Ω ja jäännösjännite (Vc) on huomattavasti pienempi kuin MOV:n;
Kompakti koko: Pinta-asennettavan TVS:n (kuten SMAJ-sarjan) tilavuus on vain 0,1 kuutiosenttimetriä, mikä sopii pienikokoisille lääketieteellisille laitteille;
Pitkä käyttöikä: Se kestää satoja ylijänniteiskuja, kun taas MOV-laitteiden suorituskyky heikkenee merkittävästi useiden törmäysten jälkeen.
3, TVS-diodien tyypillisiä sovelluksia lääketieteellisissä laitteissa
1. Tehomoduulin suojaus
Lääketieteellisten laitteiden tehomoduulin on muutettava verkkovirta (220V/50Hz) vakaaksi tasajännitteeksi. TVS-diodi muuntaa vaihtovirran sykkiväksi tasavirraksi siltatasasuuntaajapiirin ja suodatuskondensaattorin kautta ja tuottaa sitten tasaisen jännitteen sen jälkeen, kun TVS on puristanut sen. Esimerkiksi tietyn hemodialyysilaitteen tehomoduuli käyttää neljää 1N5408 piitasasuuntausdiodia tasasuuntauspiirin muodostamiseen, ja se on kytketty rinnan SMAJ5.0CA TVS:n (Vc=6.5V) kanssa suojaamaan takaosan DC/DC-muunninta. Kun salamanisku saa tulojännitteen nousemaan äkillisesti 300 V:iin, TVS johtaa 10 n:n sisällä ja puristaa jännitteen 6,5 V:iin muuntimen vaurioitumisen välttämiseksi.
2. Signaalilinjan suojaus
Lääketieteellisten laitteiden signaalilinjat, kuten elektrokardiografin elektrokardiogrammin signaalinottolinja ja ultraäänidiagnostiikkalaitteen anturin signaalilinja, ovat herkkiä melulle. TVS-diodit on suunniteltu alhaisella kapasitanssilla (kuten LCES-sarjan liitoskapasitanssilla vain 0,5 pF) vaimentamaan ylijännitteitä ja vähentämään signaalin vääristymiä. Esimerkiksi 12-kytkentäinen EKG-laite käyttää BAS70-04-tyypin rajoitusdiodia (Vc=7V) suojaamaan EKG-signaalin tulopäätä. Kun signaalin jännite ylittää ± 7 V, TVS johtaa, rajoittaa jännitteen turvallisella alueella ja varmistaa, että elektrokardiogrammin aaltomuodon signaali-kohinasuhde (SNR) on suurempi tai yhtä suuri kuin 60 dB.
3. Tietoliikenneliittymän suojaus
Lääketieteellisten laitteiden, kuten RS-485 ja CAN-väylän, tiedonsiirtoliitäntöjen on täytettävä sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) vaatimukset. TVS-diodit suojaavat differentiaalisia signaalilinjoja kaksisuuntaisella konfiguraatiolla. Esimerkiksi tietyn leikkaussalin varjottoman valon RS-485-tiedonsiirtoliitäntä käyttää SR05-4 kaksisuuntaista TVS:ää (Vc=10V). Kun salaman aiheuttama jännite välitetään kierrettyä paria pitkin, GDT (kaasupurkausputki) ensin johtaa ja vahvistaa virran, ja TVS sieppaa ja puristaa jäännösreunan 10 V:n alapuolelle 1 n:n sisällä keskeytymättömän tiedonsiirron varmistamiseksi.
4, TVS-diodien valinta ja suunnittelupisteet
1. Pääparametrien valinta
Käänteinen katkaisujännite (VRMM): Sen tulee olla hieman korkeampi kuin suojatun piirin normaali käyttöjännite. Esimerkiksi 12 V:n virtalähdepiirin tulisi valita TVS, jossa on VRMM=14V;
Häiriöjännite (VBR): yleensä 1,1-1,2 kertaa VRMM:n jännite, mikä varmistaa, että toimintahäiriöitä ei tapahdu normaaleissa jännitevaihteluissa;
Suurin puristusjännite (Vc): on oltava pienempi kuin seuraavan piirin absoluuttinen enimmäiskestojännite. Esimerkiksi 3,3 V:n MCU:n IO-portin kestojännite on 5,5 V ja TVS:n Vc:n tulee olla pienempi tai yhtä suuri kuin 4,5 V;
Huippupulssivirta (IPP): Se on valittava ylijännitetestausstandardien mukaisesti (kuten IEC 61000-4-5, taso 4). Esimerkiksi ± 4 kV ylijännitetestauksessa on valittava TVS, jonka IPP on suurempi tai yhtä suuri kuin 1500 W;
Liitoskapasitanssi (Cj): Matalakapasitanssi TVS (kuten SACS-sarjan liitoskapasitanssi Vähemmän tai yhtä suuri kuin 0,3 pF) tulee valita nopeille signaalilinjoille signaalin vääristymisen välttämiseksi.
2. Monitasoinen suojaussuunnittelu
Lääketieteelliset laitteet käyttävät yleensä kolmi{0}}tason suojausjärjestelmää "GDT+TVS+suodatus":
Ensimmäinen taso (GDT): vastaa yli 90 %:sta energian vapautumisesta, korkea painevastus ja suuri virtaus, mutta hidas vaste;
Taso 2 (TVS): Nopea reagointi jäännöspiikkeihin, tarkka kiinnitys IC:n hyväksyttävälle alueelle;
Kolmas taso (suodatus): π - -tyyppistä suodatinta, joka koostuu magneettihelmistä ja keraamisista kondensaattoreista, käytetään vaimentamaan korkeataajuista{1}}kohinaa.
Riittävä ryömintäetäisyys (suurempi tai yhtä suuri kuin 2 mm) tulee säilyttää eri tasojen välillä, jotta vältetään piirilevyn pinnan suuri{1}}jännitteen rikkoutuminen.
3. Asettelu ja lämmönpoiston optimointi
Sijoita lähelle liittimen sisäänkäyntiä: vähennä johdotuksen loistauditanssia. Jokaista 1 nH:n induktanssin lisäystä kohti syntyy ylimääräinen jännitehäviö korkeilla di/dt-piikkeillä;
Suuren alueen kupariliitännän suojamaa (PGND): On suositeltavaa, että johdotuksen leveys on suurempi tai yhtä suuri kuin 20 miliä, jotta vältetään ylijännitevirtojen kulkeminen digitaalisen maatason läpi.
Lämmönpoistosuunnittelu: Lämmönpoisto järjestelmän kautta tulisi lisätä suuritehoisten -televisioiden alle (kuten SMC-, DO-201-pakkaukset) ja lämpöä johtavaa silikonirasvaa tulee käyttää tarvittaessa.
