Hur förhindrar dioder strömstötar i monitorer för vitala tecken?

一, Aktuell överspänningsrisk i enheter för övervakning av vitala tecken
Kärnmodulerna i övervakningsanordningen för vitala tecken inkluderar fotoelektriska sensorer, bioelektriska potentialinsamlingskretsar och energihanteringsenheter. Den nuvarande ökningsrisken kommer huvudsakligen från följande scenarier:

Strömingångsterminal: Under drift av nätvågor eller batteriladdning och urladdning kan transienta spänningsspikar överstiga utrustningens motstå spänningsvärde, vilket leder till kretsbrott.
Sensorgränssnitt: Fotodioder (PPG-sensorer) är känsliga för miljöljusstörningar eller elektrostatiska urladdningar när de tar emot reflekterade ljussignaler, vilket orsakar signalöverbelastning.
Bioelektrisk potentialinsamling: När EKG-elektroder kommer i kontakt med huden kan övergående högspänning genereras av mänsklig statisk elektricitet eller elektromyografistörningar, vilket kan skada förförstärkaren.
Högfrekvent switchande strömförsörjning: Interna DC--DC-omvandlare kan orsaka spänningssignaler och elektromagnetisk interferens (EMI) på grund av dåliga egenskaper för omvänd diodåterställning under omkoppling.
2, den centrala tekniska principen för diod för att förhindra strömstyrka
1. Transient Voltage Suppression (TVS): En "säkerhetsventil" med nanosekundsnivårespons
TVS-dioder leder snabbt när spänningen överstiger genombrottsspänningen (Vbr) genom olinjära voltamperekarakteristika, vilket klämmer överspänningen till ett säkert område. Dess svarstid är så låg som 1ps, vilket effektivt kan absorbera transient energi som blixtnedslag och ESD. Till exempel, i LED-drivkretsen för en pulsoximeter, kan en dubbelriktad TVS-diod (som SMAJ5.0A) samtidigt undertrycka positiva och negativa spänningsspikar, vilket skyddar fotodioden från elektrostatiska stötar.

2. Omvänd återställningsfunktionsoptimering: eliminera omkopplarljud
Snabbåterställningsdioder (FRD) och Schottky-dioder minskar spänningssignaler i högfrekventa strömförsörjningsenheter genom att förkorta den omvända återställningstiden (TRR). Till exempel, i DC-DC-omvandlaren i EKG-insamlingskretsen, MBR30200PT Schottky-diod (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. Strömbegränsningsskydd: mjukstart och termisk hantering
Anslut en NTC-termistor i serie med strömingångsterminalen och använd dess kalla höga resistansvärde (som 5 Ω för 5D-9-modellen vid 25 grader) för att begränsa överspänningsströmmen när den slås på. Efter att strömmen värmts upp sjunker motståndsvärdet till<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. Spänning och spänningsstabilisering: skyddar känsliga kretsar
Zenerdioder ger en stabil referensspänning för bioelektriska potentialförstärkare genom spänningskonstansen i det omvända genombrottsområdet. Till exempel integrerar AD8233-chipserien en spänningsregulatordiod internt, som kan komprimera fluktuationsområdet för ingångsspänningen för EKG-signalförstärkningskretsen från ± 20 % till ± 1 %, vilket säkerställer noggrannheten i hjärtfrekvensdetekteringen.

3, Typiska tillämpningsscenarier och lösningar
1. Skydd av fotopletysmografi (PPG) sensor
I oximetern sänder den röda lysdioden (660nm) och den infraröda lysdioden (940nm) växelvis ut ljus, och fotodioden tar emot det reflekterade ljuset och omvandlar det till en elektrisk signal. För att förhindra ESD-påverkan bör en dubbelriktad TVS-diod (som P6SMB15CA) anslutas parallellt vid sensorgränssnittet, med en klämspänning på 15V, som kan absorbera ± 8kV av elektrostatisk urladdningsenergi. Samtidigt är Schottky-dioder (som BAT54S) seriekopplade i LED-drivkretsen för att minska strömförbrukningen genom att utnyttja deras låga framåtspänningsfall (0,15V) och undvika försämring av LED-livslängden orsakad av för hög ström.

2. Skydd av EKG-krets för bioelektrisk potentialinsamling
När EKG-elektroder kommer i kontakt med huden kan mänsklig statisk elektricitet generera tusentals volt transientspänning. Genom att parallellkoppla TVS-dioder (som SMAJ12CA) vid elektrodingången kan spänningen klämmas till under 12V, vilket skyddar förförstärkaren (som AD8221) från skador. Dessutom används en brygglikriktarkrets+NTC-termistorkombination vid effektingångsänden för att undertrycka överspänningsströmmen som orsakas av fluktuationen av nätvågen och säkerställa stabiliteten för EKG-signalupptagningen.

3. Strömhantering för bärbar enhet
I portabla monitorer som smarta armband måste batteriladdnings- och urladdningskretsen klara av övergående höga strömstötar. Genom att använda SiC Schottky-dioder (som C6D10065A) istället för traditionella kiseldioder är den omvända återhämtningstiden nära noll, vilket kan minska kopplingsförlusterna med 60 % och motstå transienta strömmar på 100A, vilket undviker hårdvaruskador orsakade av batteriöverladdning eller kortslutning. Dessutom är en ESD-skyddsdiod (som ESD5D150TA) integrerad i USB-laddningsgränssnittet för att ladda ur ± 15kV statisk elektricitet och skydda det interna laddningschippet.