כיצד למנוע פגיעות ברקים ונחשולים בדיודות TVS בציוד רפואי?

一, איום של פגיעות ברק ונחשולים לציוד רפואי
מכות ברק מאיימות על ציוד רפואי בשתי דרכים:

פגיעת ברק ישירה: ברק פוגע בבניינים או במתחמי ציוד, גורם לעלייה פתאומית בפוטנציאל הקרקע, יצירת הפרש פוטנציאלים ופגיעה בבידוד הציוד;
פגיעת ברק מושרית: פולסים אלקטרומגנטיים של ברק פולשים לציוד דרך קווי מתח, קווי אותות או צימוד מרחבי, ומייצרים קוצים חולפים במתח גבוה ופוגעים ברכיבים אלקטרוניים רגישים.
ציוד רפואי רגיש ביותר לתנודות מתח. לדוגמה, צינור הרנטגן של סורק CT דורש מתח גבוה DC יציב, בעוד שמעגל רכישת האותות של אלקטרוקרדיוגרף מסתמך על ספק כוח DC נמוך-. מתח יתר חולף עלול לגרום לכשל בציוד, לאובדן נתונים ואפילו לאסונות משניים כגון שריפות. לפי הסטטיסטיקה, 80% ממקרי הנזק לציוד רפואי הנגרמים מפגיעות ברק ברחבי העולם מדי שנה קשורים לחדירת נחשולים לקווי חשמל או אות.

2, העיקרון הטכני ויתרונות הליבה של דיודות TVS
דיודת TVS היא התקן מוליכים למחצה המבוסס על אפקט פירוק מפולת של צומת PN, ותפקיד הליבה שלו הוא:

תגובה חולפת: כאשר המתח עולה על מתח התמוטטות (VBR), ה-TVS עובר ממצב התנגדות גבוהה למצב התנגדות נמוכה תוך ננו-שנייה אחת, ויוצר נתיב מוליך;
הידוק מדויק: תחת פעולת שיא הפולס זרם (IPP), מהדק את המתח במתח ההידוק המרבי (Vc) כדי להבטיח שהמתח של המעגל הבא מתחת לסף הבטיחות;
התאוששות אוטומטית: לאחר היעלמות הנחשול, ה-TVS חוזר אוטומטית למצב עכבה גבוהה ללא התערבות ידנית וניתן לעשות בו שימוש חוזר.
בהשוואה להתקני הגנה מסורתיים כגון MOV ו-GDT, ל-TVS יש את היתרונות הבאים:

מהירות תגובה מהירה במיוחד: MOV דורש הצטברות תרמית כדי להתנהל, GDT דורש זמן יינון גז, וזמן התגובה של TVS מגיע לרמה של פיקושניות;
מתח הידוק נמוך: ההתנגדות הדינמית של TVS יכולה להיות נמוכה עד 0.1 Ω, והמתח השיורי (Vc) נמוך משמעותית מזה של MOV;
גודל קומפקטי: TVS תלייה משטח (כמו סדרת SMAJ) בנפח של 0.1 סנטימטר מעוקב בלבד, מתאים למכשירים רפואיים קומפקטיים;
תוחלת חיים ארוכה: זה יכול לעמוד במאות השפעות גלים, בעוד MOVs חווים ירידה משמעותית בביצועים לאחר פגיעות מרובות.
3, יישומים אופייניים של דיודות TVS בציוד רפואי
1. הגנת מודול כוח
מודול הכוח של ציוד רפואי צריך להמיר את מתח החשמל (220V/50Hz) למתח DC יציב. דיודת ה-TVS ממירה מתח AC להספק DC פועם באמצעות מעגל מיישר גשר וקבל סינון, ולאחר מכן מוציאה מתח חלק לאחר הידוק על ידי ה-TVS. לדוגמה, מודול ההספק של מכונת המודיאליזה מסוימת משתמש בארבע דיודות מיישר סיליקון 1N5408 כדי ליצור מעגל מיישר, והוא מחובר במקביל ל-SMAJ5.0CA TVS (Vc=6.5V) כדי להגן על ממיר DC/DC האחורי. כאשר ברק גורם למתח הכניסה לעלות ל-300V לפתע, ה-TVS מוליך בתוך 10ns, מהדק את המתח ל-6.5V כדי למנוע נזק לממיר.

2. הגנת קו אות
קווי האות של ציוד רפואי, כגון קו רכישת אותות אלקטרוקרדיוגרמה של אלקטרוקרדיוגרף וקו האות של בדיקה של מכשיר אבחון אולטרסאונד, רגישים לרעש. דיודות TVS מתוכננות עם קיבול נמוך (כגון קיבול צומת LCESerie של 0.5pF בלבד) כדי לדכא עליות מתח תוך הפחתת עיוות האות. לדוגמה, מכשיר אלקטרוקרדיוגרמה בעל 12 אספקה ​​משתמש בדיודה מגבילה מסוג BAS70-04 (Vc=7V) כדי להגן על קצה הקלט של אות האלקטרוקרדיוגרמה. כאשר מתח האות עולה על ±7V, TVS מוליכה, מגבילה את המתח בטווח בטוח ומבטיחה שיחס האות-לרעש (SNR) של צורת הגל האלקטרוקרדיוגרמה גדול או שווה ל-60dB.

3. הגנה על ממשק תקשורת
ממשקי התקשורת של ציוד רפואי, כגון RS-485 ו-CAN bus, חייבים לעמוד בדרישות תאימות אלקטרומגנטית (EMC). דיודות TVS מגנות על קווי אות דיפרנציאליים באמצעות תצורה דו-כיוונית. לדוגמה, ממשק התקשורת RS-485 של אור נטול צל בחדר ניתוח מסוים משתמש ב-SR05-4 TVS דו-כיווני (Vc=10V). כאשר המתח המושרה ברק מועבר לאורך הזוג המעוות, ה-GDT (שפופרת פריקת גז) תחילה מוליך ומגביר את הזרם, והקצה המהיר העולה המהיר נקלט ונלכד מתחת ל-10V על ידי ה-TVS בתוך 1ns כדי להבטיח תקשורת ללא הפרעה.

4, נקודות בחירה ועיצוב של דיודות TVS
1. בחירת פרמטרים מרכזיים
מתח ניתוק הפוך (VRMM): הוא צריך להיות מעט גבוה יותר ממתח הפעולה הרגיל של המעגל המוגן. לדוגמה, מעגל אספקת חשמל 12V צריך לבחור TVS עם VRMM=14V;
מתח התמוטטות (VBR): בדרך כלל פי 1.1-1.2 מזה של VRMM, מה שמבטיח שאין פעולה שגויה במהלך תנודות מתח רגילות;
מתח הידוק מקסימלי (Vc): חייב להיות נמוך ממתח העמידות המרבי המוחלט של המעגל הבא. לדוגמה, יציאת ה-IO עומדת במתח של 3.3V MCU הוא 5.5V, וה-Vc של TVS צריך להיות קטן או שווה ל-4.5V;
זרם דופק שיא (IPP): יש לבחור אותו בהתאם לתקני בדיקת נחשולים (כגון IEC 61000-4-5 רמה 4). לדוגמה, מול בדיקות נחשולים של ±4kV, יש לבחור TVS עם IPP גדול או שווה ל-1500W;
קיבול צומת (Cj): יש לבחור ב-TVS עם קיבול נמוך (כגון קיבול צומת SACSeries פחות או שווה ל-0.3pF) עבור קווי אות- גבוהים כדי למנוע עיוות אות.
2. עיצוב הגנה רב רמות
ציוד רפואי מאמץ בדרך כלל ערכת הגנה בשלוש-רמות של "GDT+TVS+סינון":

רמה ראשונה (GDT): אחראי על למעלה מ-90% משחרור האנרגיה, עם עמידות בלחץ גבוהה וזרימת זרם גדולה, אך תגובה איטית;
רמה 2 (TVS): תגובה מהירה לקוצים שיוריים, הידוק מדויק לטווח מקובל של IC;
רמה שלישית (סינון): מסנן מסוג π - המורכב מחרוזים מגנטיים וקבלים קרמיים משמש לדיכוי רעש בתדר גבוה-.
יש להקפיד על מרחק זחילה הולם (גדול מ-2 מ"מ או שווה לו) בין רמות שונות כדי למנוע התמוטטות מתח גבוהה- של משטח ה-PCB.

3. ייעול פריסה ופיזור חום
ארגן ליד כניסת המחבר: צמצם את השראות הטפילית של החיווט. עבור כל עלייה של 1nH בהשראות, תיווצר מפל מתח נוסף תחת עליות di/dt גבוהות;
שטח גדול להגנה על חיבור נחושת הארקה (PGND): מומלץ לקיים רוחב חיווט של יותר מ-20 מיל או שווה ל-20 מיליליטר כדי למנוע זרמי נחשול העוברים דרך מישור ההארקה הדיגיטלי;
עיצוב פיזור חום: יש להוסיף פיזור חום דרך מערך מתחת ל-TVS-בהספק גבוה (כגון אריזות SMC, DO-201), ויש להשתמש בשומן סיליקון מוליך תרמי במידת הצורך.