Hvordan forhindrer man strømtilbageløb i dioder i medicinsk udstyr?

一, Princip for anti-tilbagestrømning: Ensrettet ledningsevne af PN-forbindelse
Kernestrukturen af ​​en diode er en PN-junction, dannet af kombinationen af ​​P--type halvleder (med mange huller) og N--type halvleder (med mange frie elektroner). Dens anti-tilbagestrømningsfunktion er baseret på følgende fysiske mekanismer:

Positiv ledning: Når P-terminalen er forbundet med den positive elektrode, og N-terminalen er forbundet med den negative elektrode, svækker den påførte spænding det elektriske felt inde i PN-forbindelsen, hvilket forårsager bærerdiffusion og danner en ledningsstrøm, der tillader strøm at flyde fra P til N.
Omvendt afskæring: Når N-terminalen er forbundet med den positive elektrode, og P-terminalen er forbundet til den negative elektrode, påføres en ekstern spænding for at øge det indre elektriske felt, udvide udtømningslaget, hindre passage af ladningsbærere og kun tillade ekstremt lille omvendt lækstrøm (normalt nanoampere-niveau).
Denne ensrettede ledningsevne gør dioden til en naturlig 'aktuel envejsventil'. For eksempel er en Schottky-diode (såsom SS14) forbundet parallelt med strømindgangen på en bærbar ultralydssonde. Når strømpolariteten vendes om, afbryder dioden i den modsatte retning, hvilket blokerer strømvejen og forhindrer det interne kredsløb i at brænde ud.

2, Typiske anvendelsesscenarier i medicinsk udstyr
1. Bærbart medicinsk udstyr: balance lavt strømforbrug og høj pålidelighed
I enheder som blodsukkermålere og bærbare elektrokardiografer er Schottky-dioder det foretrukne valg til at forhindre tilbagestrømning på grund af deres lave fremadgående spændingsfald (0,15-0,45V). For eksempel bruger en bestemt model af blodsukkermåler BAT54S dobbelt Schottky diode array til at opnå følgende funktioner:

Anti omvendt forbindelsesbeskyttelse: parallelt forbundet til strømindgangsterminalen. Når strømpolariteten vendes, vil dioden vende og afbryde, hvilket blokerer for strømvejen.
Valg af strømvej: I et strømforsyningssystem med dobbelt batteri skiftes hoved- og backupstrømkilden automatisk gennem dioder for at sikre kontinuerlig strømforsyning.
Strømbegrænsende beskyttelse: forbundet i serie med motorens drivkredsløb, ved hjælp af spændingsfald til at begrænse startstrømmen og forhindre en stigning i strømmen, når motoren er låst.
2. Højeffekt medicinsk udstyr: slagfasthed og stabilitetsoptimering
I enheder som defibrillatorer og højfrekvente elektriske-knive er det nødvendigt at håndtere forbigående høje strømstød. På dette tidspunkt bliver fast recovery dioder (FRD'er) og siliciumcarbid (SiC) dioder nøglekomponenter:

Defibrillatoropladningskredsløb: MBR30200PT Schottky-modul (30A/200V) bruges med en omvendt genopretningstid (trr) på mindre end 5ns, hvilket kan forhindre spændingsspidser forårsaget af diodekontaktforsinkelse under opladning og beskytte højspændingskondensatorer mod overspændingsnedbrud.
Højfrekvent elektrisk kniv-udgangstrin: Brug af C6D10065A SiC Schottky-diode (100A/650V), dens lave fremadgående spændingsfald (1,5V) og høje temperaturmodstandskarakteristika (175 graders overgangstemperatur) sikrer, at diodens eget strømforbrug reduceres med 60 % under 1MHz højfrekvent nedskæring, mens nedsættelse af højfrekvent ydelse undgås,- overophedning.
3. Præcisionsmedicinske instrumenter: signalintegritet og anti-interferensdesign
I enheder som elektrokardiografer og elektroencefalografer kræver erhvervelsen af ​​svage bioelektriske signaler streng undertrykkelse af støj. På dette tidspunkt bliver det samarbejdende design af fotodioder og beskyttelsesdioder afgørende:

Optoelektronisk koblingsisolering: I signalindgangskanalen bruges en 6N137 optokobler til at opnå elektrisk isolation og blokere common mode interferens gennem den fotoelektriske konvertering af dioder.
ESD-beskyttelse: Ved sensorgrænsefladen, parallel ESD5D150TA Schottky-diode med lav lækstrøm (<0.1 μ A) and high reverse withstand voltage (150V) can effectively discharge the transient current generated by electrostatic discharge (ESD) and prevent sensor damage.
3, Innovativ anti-tilbagestrømsløsning: Samarbejdsdesign af dioder og andre komponenter
1. Sammensat beskyttelseskredsløb: diode+TVS-diode
I billedtransmissionsmodulet til medicinske endoskoper er et sammensat beskyttelsesskema af "Schottky diode+TVS diode" vedtaget for at forhindre forbigående overspænding forårsaget af lynnedslag eller statisk elektricitet:

Schottky-diode: parallel forbundet til strømindgangsterminalen, der giver daglig anti-omvendt beskyttelse.
TVS diode: serie forbundet til signallinjen, dens ultrahurtige responstid (<1ps) and low clamping voltage (such as SMAJ5.0A's clamping voltage of 7.8V) can limit overvoltage within a safe range in nanoseconds, protecting the downstream ADC chip from damage.
2. Selvgendannelsesbeskyttelse: diode+PTC termistor
I opladningskredsløbet for bærbare medicinske anordninger (såsom smarte armbånd) er en selvgendannelsesbeskyttelsesordning af "Schottky diode + PTC termistor" vedtaget:

Schottky-diode: forhindrer batteriomvendt forbindelse, mens dens lavspændingsfaldsegenskaber bruges til at reducere opladningstab.
PTC termistor: serie forbundet til ladevejen, når strømmen overstiger tærsklen, stiger PTC modstandsværdien kraftigt, hvilket begrænser strømmen; Efter fejlfinding vender PTC automatisk tilbage til en lav modstandstilstand uden behov for at udskifte komponenter.
3. Ideel diodeløsning: integration og intelligens
Med populariteten af ​​materialer med brede båndgab er integrerede ideelle dioder (såsom LM66100DCK) blevet det foretrukne valg til high-medicinsk udstyr. Dens arbejdsprincip er som følger:

Strømadapterforsyning: Afbryd TYPE-C-output via intern PMOS-afbrydelse.
TYPE-C-strømforsyning: Output 5V-spænding gennem intern PMOS-ledning.
Batteridrevet: Når både punkt A og punkt C har et potentiale på 0V, leder den interne PMOS, og batteriet leverer strøm til belastningen.
Denne løsning har fordelene ved omfattende beskyttelse, lavtryksreduktion, lav intern modstand og lav varmeudvikling og er meget udbredt i bærbart ultralyd, endoskop og andet udstyr.