Hvordan forhindrer dioder strømstigninger i vitale tegnmonitorer?

一, Aktuel stigningsrisiko i enheder til overvågning af vitale tegn
Kernemodulerne i enheden til overvågning af vitale tegn omfatter fotoelektriske sensorer, bioelektriske potentialeopsamlingskredsløb og strømstyringsenheder. Den nuværende stigningsrisiko kommer hovedsageligt fra følgende scenarier:

Strømindgangsterminal: Under drift af netbølger eller batteriopladning og -afladning kan transiente spændingsspidser overskride udstyrets modstå spændingsværdi, hvilket fører til kredsløbsnedbrud.
Sensorgrænseflade: Fotodioder (PPG-sensorer) er modtagelige for lysinterferens fra omgivelserne eller elektrostatisk udladning, når de modtager reflekterede lyssignaler, hvilket forårsager signaloverbelastning.
Bioelektrisk potentialopsamling: Når EKG-elektroder kommer i kontakt med huden, kan transient højspænding genereres af menneskelig statisk elektricitet eller elektromyografiinterferens, som kan beskadige forforstærkeren.
Højfrekvent switching strømforsyning: Interne DC-DC-konvertere kan forårsage spændingsringning og elektromagnetisk interferens (EMI) på grund af dårlige diode reverse recovery-egenskaber under switching.
2, det centrale tekniske princip for diode for at forhindre strømstød
1. Transient Voltage Suppression (TVS): En "sikkerhedsventil" med nanosekundniveaurespons
TVS-dioder leder hurtigt, når spændingen overstiger gennembrudsspændingen (Vbr) gennem ikke-lineære volt ampere karakteristika, hvilket klemmer overspændingen til et sikkert område. Dens responstid er så lav som 1ps, hvilket effektivt kan absorbere forbigående energi såsom lynnedslag og ESD. For eksempel, i LED-driverkredsløbet på et pulsoximeter, kan en tovejs TVS-diode (såsom SMAJ5.0A) samtidigt undertrykke positive og negative spændingsspidser, hvilket beskytter fotodioden mod elektrostatisk stød.

2. Omvendt gendannelsesfunktionsoptimering: eliminer kontaktstøj
Hurtiggendannelsesdioder (FRD'er) og Schottky-dioder reducerer spændingsringning i højfrekvente skiftende strømforsyninger ved at forkorte den omvendte gendannelsestid (TRR). For eksempel, i DC-DC-konverteren i EKG-opsamlingskredsløbet, MBR30200PT Schottky-diode (trr<5ns) is used to avoid the superposition of reverse current and MOSFET turn off process, reduce EMI interference, and ensure the purity of ECG signal.

3. Strømbegrænsende beskyttelse: blød start og termisk styring
Tilslut en NTC-termistor i serie med strømindgangsterminalen, og brug dens kolde høje modstandsværdi (såsom 5 Ω for 5D-9-modellen ved 25 grader) for at begrænse overspændingsstrømmen, når den er tændt. Efter at strømmen er varmet op, falder modstandsværdien til<1 Ω, achieving soft start. For example, a certain model of portable monitor adopts an NTC+relay combination scheme to suppress the impulse current of 220V AC input from 300A to 60A, with a reduction of over 80%.

4. Klemning og spændingsstabilisering: beskyttelse af følsomme kredsløb
Zenerdioder giver en stabil referencespænding til bioelektriske potentialforstærkere gennem spændingskonstansen i det omvendte nedbrudsområde. For eksempel integrerer AD8233-chipserien en spændingsregulatordiode internt, som kan komprimere indgangsspændingsudsvingsområdet for EKG-signalforstærkningskredsløbet fra ± 20 % til ± 1 %, hvilket sikrer nøjagtigheden af ​​pulsdetektion.

3, Typiske anvendelsesscenarier og løsninger
1. Beskyttelse af fotoplethysmografi (PPG) sensor
I oximeteret udsender den røde LED (660nm) og den infrarøde LED (940nm) skiftevis lys, og fotodioden modtager det reflekterede lys og omdanner det til et elektrisk signal. For at forhindre ESD-påvirkning skal en tovejs TVS-diode (såsom P6SMB15CA) forbindes parallelt ved sensorgrænsefladen med en klemspænding på 15V, som kan absorbere ± 8kV elektrostatisk udladningsenergi. Samtidig er Schottky-dioder (såsom BAT54S) forbundet i serie i LED-drivkredsløbet for at reducere strømforbruget ved at udnytte deres lave fremadgående spændingsfald (0,15V) og undgå forringelse af LED-levetiden forårsaget af for høj strøm.

2. Beskyttelse af EKG bioelektriske potentialerhvervelseskredsløb
Når EKG-elektroder kommer i kontakt med huden, kan menneskelig statisk elektricitet generere tusindvis af volt transient spænding. Ved at parallelisere TVS-dioder (såsom SMAJ12CA) ved elektrodeindgangen kan spændingen fastspændes til under 12V, hvilket beskytter forforstærkeren (såsom AD8221) mod beskadigelse. Derudover bruges et broensretterkredsløb + NTC-termistorkombination ved effektindgangsenden til at undertrykke overspændingsstrømmen forårsaget af fluktuationen af ​​netbølgen og sikre stabiliteten af ​​EKG-signalopsamling.

3. Bærbar enheds strømstyring
I bærbare skærme, såsom smarte armbånd, skal batteriopladnings- og afladningskredsløbet klare forbigående høje strømstød. Ved at bruge SiC Schottky-dioder (såsom C6D10065A) i stedet for traditionelle siliciumdioder, er den omvendte genopretningstid tæt på nul, hvilket kan reducere koblingstab med 60 % og modstå transiente strømme på 100A, hvilket undgår hardwareskader forårsaget af batterioveropladning eller kortslutning. Derudover er en ESD-beskyttelsesdiode (såsom ESD5D150TA) integreret på USB-opladningsgrænsefladen for at aflade ± 15kV statisk elektricitet og beskytte den interne opladningschip.