Hur förhindrar man blixtnedslag och överspänningar i TVS-dioder i medicinsk utrustning?

一, Hotet om blixtnedslag och överspänningar till medicinsk utrustning
Blixtnedslag hotar medicinsk utrustning på två sätt:

Direkt blixtnedslag: Blixten slår ner i byggnader eller utrustningsinneslutningar, vilket orsakar en plötslig ökning av jordpotentialen, skapar en potentialskillnad och skadar utrustningens isolering;
Inducerat blixtnedslag: Elektromagnetiska blixtpulser invaderar utrustning genom kraftledningar, signalledningar eller rumslig koppling, genererar övergående högspänningsspikar och skadar känsliga elektroniska komponenter.
Medicinsk utrustning är extremt känslig för spänningsfluktuationer. Till exempel kräver röntgenröret i en CT-skanner stabil DC-högspänning, medan signalupptagningskretsen för en elektrokardiograf förlitar sig på en DC-strömförsörjning med låg-brus. Övergående överspänning kan orsaka utrustningsfel, dataförlust och till och med sekundära katastrofer som bränder. Enligt statistik är 80 % av skador på medicinsk utrustning orsakade av blixtnedslag över hela världen varje år relaterade till överspänningsintrång i el- eller signalledningar.

2, Den tekniska principen och kärnfördelarna med TVS-dioder
TVS-dioden är en halvledarenhet baserad på PN-junction lavinbrytningseffekt, och dess kärnfunktion är:

Transientsvar: När spänningen överstiger genombrottsspänningen (VBR) övergår TVS:n från ett högresistanstillstånd till ett lågresistanstillstånd inom 1 nanosekund och bildar en ledande bana;
Exakt klämning: Under verkan av topppulsström (IPP), kläm spänningen vid den maximala klämspänningen (Vc) för att säkerställa att spänningen för den efterföljande kretsen är under säkerhetströskeln;
Automatisk återhämtning: Efter att överspänningen försvinner återgår TVS:n automatiskt till ett högimpedansläge utan manuellt ingrepp och kan återanvändas.
Jämfört med traditionella skyddsanordningar som MOV och GDT har TVS följande fördelar:

Extremt snabb svarshastighet: MOV kräver termisk ackumulering för att leda, GDT kräver gasjoniseringstid och TVS-svarstiden når pikosekundnivån;
Låg spännspänning: Den dynamiska resistansen för TVS kan vara så låg som 0,1 Ω, och restspänningen (Vc) är betydligt lägre än den för MOV;
Kompakt storlek: Ytmonterad TVS (som SMAJ-serien) har en volym på endast 0,1 kubikcentimeter, lämplig för kompakta medicinska apparater;
Lång livslängd: Den tål hundratals överspänningspåverkan, medan MOV:er upplever betydande prestandaförsämring efter flera stötar.
3, Typiska tillämpningar av TVS-dioder i medicinsk utrustning
1. Strömmodulskydd
Strömmodulen för medicinsk utrustning behöver omvandla nätströmmen (220V/50Hz) till en stabil likspänning. TVS-dioden omvandlar växelström till pulserande likström genom en brygglikriktarkrets och en filtreringskondensator, och matar sedan ut en jämn spänning efter att ha klämts av TVS:n. Till exempel använder kraftmodulen i en viss hemodialysmaskin fyra 1N5408 kisellikriktardioder för att bilda en likriktarkrets, och är parallellkopplad med SMAJ5.0CA TVS (Vc=6.5V) för att skydda den bakre DC/DC-omvandlaren. När ett blixtnedslag gör att inspänningen plötsligt ökar till 300V, leder TVS inom 10ns och klämmer fast spänningen till 6,5V för att undvika skador på omvandlaren.

2. Signalledningsskydd
Signallinjerna för medicinsk utrustning, såsom elektrokardiogramsignalinsamlingslinjen på en elektrokardiograf och sondsignallinjen för en ultraljudsdiagnostisk anordning, är känsliga för brus. TVS-dioder är designade med låg kapacitans (som LCESeries junction kapacitans på endast 0,5pF) för att undertrycka överspänningar samtidigt som signaldistorsion minskar. Till exempel använder en elektrokardiogrammaskin med 12 avledningar BAS70-04 begränsningsdiod (Vc=7V) för att skydda ingångsänden på elektrokardiogramsignalen. När signalspänningen överstiger ± 7V leder TVS, vilket begränsar spänningen inom ett säkert område och säkerställer att signal-till-brusförhållandet (SNR) för elektrokardiogramvågformen är större än eller lika med 60dB.

3. Kommunikationsgränssnittsskydd
Kommunikationsgränssnitten för medicinsk utrustning, såsom RS-485 och CAN-buss, måste uppfylla kraven på elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). TVS-dioder skyddar differentiella signallinjer genom dubbelriktad konfiguration. Till exempel använder RS-485-kommunikationsgränssnittet för ett skuggfritt ljus i en viss operationssal SR05-4 dubbelriktad TVS (Vc=10V). När den blixtinducerade spänningen överförs längs det tvinnade paret, leder och förstärker GDT (gasurladdningsröret) först strömmen, och den återstående snabbt stigande flanken fångas upp och kläms fast till under 10V av TVS inom 1 ns för att säkerställa oavbruten kommunikation.

4, Urval och designpunkter för TVS-dioder
1. Val av nyckelparametrar
Reverse Cut Off Voltage (VRMM): Den bör vara något högre än den normala driftspänningen för den skyddade kretsen. Till exempel bör en 12V strömförsörjningskrets välja en TVS med VRMM=14V;
Genombrottsspänning (VBR): vanligtvis 1,1-1,2 gånger den för VRMM, vilket säkerställer ingen felfunktion under normala spänningsfluktuationer;
Maximal spännspänning (Vc): måste vara lägre än den absoluta maximala motståndsspänningen för den efterföljande kretsen. Till exempel är IO-portens motståndsspänning för en 3,3V MCU 5,5V, och Vc på en TVS bör vara mindre än eller lika med 4,5V;
Peak Pulse Current (IPP): Den måste väljas enligt standarder för överspänningstest (som IEC 61000-4-5 nivå 4). Till exempel, inför ± 4kV överspänningstestning, måste en TVS med IPP större än eller lika med 1500W väljas;
Junction capacitance (Cj): Låg kapacitans TVS (såsom SACSeries junction capacitance Mindre än eller lika med 0,3pF) bör väljas för hög-signallinjer för att undvika signalförvrängning.
2. Flernivåskyddsdesign
Medicinsk utrustning använder vanligtvis ett skyddsschema på tre-nivåer av "GDT+TVS+filtrering":

Första nivån (GDT): ansvarig för över 90 % av energiutsläppet, med högt tryckmotstånd och stort strömflöde, men långsam respons;
Nivå 2 (TVS): Snabb respons på kvarvarande spikar, exakt fastspänning till IC-acceptabelt område;
Tredje nivån (filtrering): Ett filter av typen π - som består av magnetiska pärlor och keramiska kondensatorer används för att dämpa högfrekvent brus.
Tillräckligt krypavstånd (större än eller lika med 2 mm) bör upprätthållas mellan olika nivåer för att undvika hög-spänningsnedbrytning av PCB-ytan.

3. Layout och värmeavledningsoptimering
Ordna nära kontaktdonets ingång: minska ledningarnas parasitiska induktans. För varje 1nH ökning av induktansen kommer ytterligare spänningsfall att genereras under höga di/dt-svallvågor;
Skyddsjord för kopparanslutningar för stor area (PGND): Det rekommenderas att ha en ledningsbredd på större än eller lika med 20 mil för att undvika överspänningsströmmar som passerar genom det digitala jordplanet;
Värmeavledningsdesign: En värmeavledning via array bör läggas till under hög-TVS (som SMC, DO-201-förpackningar), och termiskt ledande silikonfett bör användas vid behov.