כיצד דיודות מונעות עליות זרם בצגי סימנים חיוניים?

一, סיכון גל נוכחי במכשירי ניטור סימנים חיוניים
מודולי הליבה של מכשיר ניטור הסימנים החיוניים כוללים חיישנים פוטו-אלקטריים, מעגלי רכישת פוטנציאל ביו-אלקטרי ויחידות לניהול הספק. סיכון הזינוק הנוכחי נובע בעיקר מהתרחישים הבאים:

מסוף כניסת מתח: במהלך פעולת גלי רשת או טעינה ופריקה של הסוללה, קפיצי מתח חולפים עלולים לחרוג מערך המתח העמידות של הציוד, מה שיוביל להתמוטטות מעגל.
ממשק חיישן: פוטודיודות (חיישני PPG) רגישות להפרעות אור סביבתי או לפריקה אלקטרוסטטית בעת קבלת אותות אור מוחזר, הגורמת לעומס יתר של האות.
רכישת פוטנציאל ביו-חשמלי: כאשר אלקטרודות ECG באות במגע עם העור, מתח גבוה חולף עלול להיווצר על ידי חשמל סטטי אנושי או הפרעות אלקטרומיוגרפיה, מה שעלול להזיק למגבר הקדם.
ספק כוח מיתוג בתדר גבוה: ממירי DC פנימיים-DC עלולים לגרום לצלצול מתח ולהפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) עקב מאפייני התאוששות לאחור של דיודה במהלך המיתוג.
2, העיקרון הטכני הליבה של דיודה למניעת גל זרם
1. דיכוי מתח חולף (TVS): "שסתום בטיחות" עם תגובה ברמה של ננו-שניות
דיודות TVS מוליכות במהירות כאשר המתח עולה על מתח ההתמוטטות (Vbr) דרך מאפיינים לא ליניאריים של וולט אמפר, מהדקות את מתח היתר לטווח בטוח. זמן התגובה שלו נמוך כמו 1ps, מה שיכול לספוג ביעילות אנרגיה חולפת כמו מכות ברק ו-ESD. לדוגמה, במעגל הדרייבר LED של אוקסימטר דופק, דיודת TVS דו-כיוונית (כגון SMAJ5.0A) יכולה לדכא בו-זמנית עליות מתח חיוביות ושליליות, ולהגן על הפוטודיודה מפני הלם אלקטרוסטטי.

2. אופטימיזציה של תכונת התאוששות הפוכה: הסר רעשי מתגים
דיודות התאוששות מהירה (FRDs) ודיודות Schottky מפחיתות צלצול מתח בספקי כוח מיתוג- גבוהים על ידי קיצור זמן ההתאוששות ההפוכה (TRR). לדוגמה, בממיר DC-DC של מעגל רכישת ECG, דיודה MBR30200PT Schottky (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. הגנת הגבלת זרם: התחלה רכה וניהול תרמי
חבר תרמיסטור NTC בסדרה עם מסוף כניסת המתח, והשתמש בערך ההתנגדות הגבוהה הקרה שלו (כגון 5 Ω עבור דגם 5D-9 ב-25 מעלות) כדי להגביל את זרם הנחשול כאשר הוא מופעל. לאחר שהזרם מתחמם, ערך ההתנגדות יורד ל<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. הידוק וייצוב מתח: הגנה על מעגלים רגישים
דיודות זנר מספקות מתח ייחוס יציב למגברים פוטנציאליים ביו-חשמליים דרך קביעות המתח באזור ההתמוטטות ההפוכה. לדוגמה, סדרת השבבים AD8233 משלבת דיודה מווסת מתח באופן פנימי, שיכולה לדחוס את טווח תנודות מתח הכניסה של מעגל הגברה של אותות ECG מ-±20% ל-±1%, מה שמבטיח את הדיוק של זיהוי הדופק.

3, תרחישי יישום ופתרונות אופייניים
1. הגנה על חיישן photoplethysmography (PPG).
באוקסימטר, ה-LED האדום (660nm) וה-LED האינפרא אדום (940nm) פולטות אור לסירוגין, והפוטודיודה קולטת את האור המוחזר וממירה אותו לאות חשמלי. כדי למנוע השפעת ESD, יש לחבר דיודת TVS דו-כיוונית (כגון P6SMB15CA) במקביל בממשק החיישן, עם מתח הידוק של 15V, שיכול לספוג ± 8kV של אנרגיית פריקה אלקטרוסטטית. במקביל, דיודות Schottky (כגון BAT54S) מחוברות בסדרה במעגל הכונן LED כדי להפחית את צריכת החשמל על ידי ניצול מפל המתח הנמוך שלהן קדימה (0.15V) ולהימנע מהידרדרות תוחלת החיים של LED הנגרמת על ידי זרם מופרז.

2. הגנה על מעגל רכישת פוטנציאל ביואלקטרי ECG
כאשר אלקטרודות ECG באות במגע עם העור, חשמל סטטי אנושי עשוי ליצור אלפי וולט של מתח חולף. על ידי הקבלה של דיודות TVS (כגון SMAJ12CA) בכניסת האלקטרודה, ניתן להדק את המתח מתחת ל-12V, להגן על הקדם מגבר (כגון AD8221) מפני נזק. בנוסף, נעשה שימוש בשילוב מעגל מיישר גשר + תרמיסטור NTC בקצה כניסת הכוח כדי לדכא את זרם הנחשול הנגרם מהתנודתיות של גל הרשת ולהבטיח את היציבות של רכישת אותות ECG.

3. ניהול צריכת חשמל במכשיר נייד
במסכים ניידים כגון צמידים חכמים, מעגל הטעינה והפריקה של הסוללה צריך להתמודד עם עליות זרם גבוהות חולפות. על ידי שימוש בדיודות SiC Schottky (כגון C6D10065A) במקום דיודות סיליקון מסורתיות, זמן ההתאוששות ההפוכה קרוב לאפס, מה שיכול להפחית את הפסדי המיתוג ב-60% ולעמוד בזרמים חולפים של 100A, תוך הימנעות מנזק לחומרה שנגרם כתוצאה מטעינת יתר של הסוללה או קצרים. בנוסף, דיודה להגנה על ESD (כגון ESD5D150TA) משולבת בממשק הטעינה USB כדי לפרוק ± 15kV חשמל סטטי ולהגן על שבב הטעינה הפנימי.