Hur förhindrar man strömåterflöde i dioder i medicinsk utrustning?

一, Princip för anti-backflow: Enkelriktad konduktivitet för PN-övergång
Kärnstrukturen i en diod är en PN-övergång, bildad av kombinationen av halvledare av P-typ (med många hål) och halvledare av N-typ (med många fria elektroner). Dess anti-backflow-funktion är baserad på följande fysiska mekanismer:

Positiv ledning: När P-terminalen är ansluten till den positiva elektroden och N-terminalen är ansluten till den negativa elektroden, försvagar den pålagda spänningen det elektriska fältet inuti PN-övergången, vilket orsakar bärardiffusion och bildar en ledningsström, vilket tillåter ström att flyta från P till N.
Omvänd cutoff: När N-terminalen är ansluten till den positiva elektroden och P-terminalen är ansluten till den negativa elektroden, appliceras en extern spänning för att förstärka det interna elektriska fältet, bredda utarmningsskiktet, hindra passage av laddningsbärare och endast tillåta extremt liten omvänd läckström (vanligtvis nanoamperenivå).
Denna enkelriktade ledningsförmåga gör dioden till en naturlig "strömmen- envägsventil". Till exempel är en Schottky-diod (som SS14) kopplad parallellt med strömingången på en bärbar ultraljudssond. När strömpolariteten vänds, stängs dioden av i motsatt riktning, vilket blockerar strömvägen och förhindrar att den interna kretsen brinner ut.

2, Typiska tillämpningsscenarier i medicinsk utrustning
1. Bärbar medicinsk utrustning: balansera låg strömförbrukning och hög tillförlitlighet
I enheter som blodsockermätare och bärbara elektrokardiografer är Schottky-dioder det föredragna valet för att förhindra tillbakaflöde på grund av deras låga spänningsfall framåt (0,15-0,45V). Till exempel använder en viss modell av blodsockermätare BAT54S dubbel Schottky-diodmatris för att uppnå följande funktioner:

Skydd mot omvänd anslutning: parallellkopplad till strömingången. När strömpolariteten vänds, kommer dioden att vända och stänga av, vilket blockerar strömvägen.
Val av strömväg: I ett strömförsörjningssystem med dubbla batterier växlas huvud- och reservströmkällorna automatiskt genom dioder för att säkerställa kontinuerlig strömförsörjning.
Strömbegränsningsskydd: ansluten i serie med motorns drivkrets, använder spänningsfall för att begränsa startströmmen och förhindra en strömstöt när motorn är låst.
2. Medicinsk utrustning med hög effekt: slagtålighet och stabilitetsoptimering
I enheter som defibrillatorer och högfrekventa elektriska knivar- är det nödvändigt att hantera övergående höga strömstötar. Vid denna tidpunkt blir snabbåterställningsdioder (FRD) och kiselkarbiddioder (SiC) nyckelkomponenter:

Defibrillatorladdningskrets: MBR30200PT Schottky-modul (30A/200V) används, med en omvänd återhämtningstid (trr) på mindre än 5ns, vilket kan förhindra spänningstoppar orsakade av diodbrytarfördröjning under laddning och skydda högspänningskondensatorer från överspänningsavbrott.
Högfrekvent elektrisk knivs slutsteg: med hjälp av C6D10065A SiC Schottky-diod (100A/650V), dess låga framspänningsfall (1,5V) och höga temperaturresistansegenskaper (175 graders korsningstemperatur) säkerställer att diodens egen strömförbrukning minskas med 60 % under 1MHz högfrekvent nedskärning, samtidigt som nedskärning av högfrekvensen undviks,- överhettning.
3. Medicinska precisionsinstrument: signalintegritet och anti-interferensdesign
I enheter som elektrokardiografer och elektroencefalografer kräver förvärvet av svaga bioelektriska signaler strikt dämpning av brus. Vid denna tidpunkt blir den samarbetande designen av fotodioder och skyddsdioder avgörande:

Optoelektronisk kopplingsisolering: I signalingångskanalen används en 6N137 optokopplare för att uppnå elektrisk isolering och blockera common mode-interferens genom fotoelektrisk omvandling av dioder.
ESD-skydd: Vid sensorgränssnittet, parallell ESD5D150TA Schottky-diod med låg läckström (<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-backflow-lösning: Samarbetsdesign av dioder och andra komponenter
1. Sammansatt skyddskrets: diod+TVS-diod
I bildöverföringsmodulen för medicinska endoskop används ett sammansatt skyddsschema av "Schottky-diod+TVS-diod" för att förhindra transient överspänning orsakad av blixtnedslag eller statisk elektricitet:

Schottky-diod: parallellkopplad till strömingångsterminalen, vilket ger dagligt skydd mot backning.
TVS-diod: serie ansluten till signallinjen, dess ultrasnabba svarstid (<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. Självåtervinningsskydd: diod+PTC termistor
I laddningskretsen för bärbara medicinska enheter (som smarta armband) används ett självåterställningsskyddsschema för "Schottky diode + PTC termistor":

Schottky-diod: förhindrar batteriomvänd anslutning samtidigt som dess egenskaper för lågt spänningsfall används för att minska laddningsförlusterna.
PTC-termistor: serieansluten till laddningsvägen, när strömmen överskrider tröskeln, ökar PTC-resistansvärdet kraftigt, vilket begränsar strömmen; Efter felsökning återgår PTC automatiskt till ett lågt motstånd utan att komponenter behöver bytas ut.
3. Idealisk diodlösning: integration och intelligens
Tack vare populariteten för material med stora bandgap har integrerade idealiska dioder (som LM66100DCK) blivit det föredragna valet för avancerad medicinsk utrustning. Dess arbetsprincip är som följer:

Strömadapterförsörjning: Koppla bort TYPE-C-utgången via intern PMOS-avstängning.
TYP-C-strömförsörjning: Utmatning av 5V-spänning via intern PMOS-ledning.
Batteridriven: När både punkt A och punkt C har en potential på 0V, leder den interna PMOS och batteriet matar ström till lasten.
Denna lösning har fördelarna med omfattande skydd, lågtrycksreduktion, lågt inre motstånd och låg värmealstring, och används ofta i bärbar ultraljud, endoskop och annan utrustning.