Як діоди запобігають стрибкам струму в моніторах життєво важливих показників?

一, Ризик стрибків струму в пристроях моніторингу життєво важливих показників
Основні модулі пристрою моніторингу життєво важливих показників включають фотоелектричні датчики, схеми збору біоелектричного потенціалу та блоки керування живленням. Поточний ризик сплеску головним чином виникає внаслідок таких сценаріїв:

Вхідний роз’єм живлення: під час роботи від електромережі або заряджання та розряджання батареї перехідні стрибки напруги можуть перевищувати значення витримуваної напруги обладнання, що призведе до поломки ланцюга.
Інтерфейс датчика: фотодіоди (датчики PPG) сприйнятливі до впливу навколишнього світла або електростатичного розряду під час отримання відбитих світлових сигналів, що спричиняє перевантаження сигналу.
Отримання біоелектричного потенціалу: коли електроди ЕКГ контактують зі шкірою, статична електрика людини або електроміографічні перешкоди можуть генерувати короткочасну високу напругу, що може пошкодити попередній підсилювач.
Високочастотний імпульсний джерело живлення: внутрішні-перетворювачі постійного струму можуть спричинити дзвінок напруги та електромагнітні перешкоди (EMI) через погані характеристики зворотного відновлення діодів під час перемикання.
2, основний технічний принцип діода для запобігання стрибків струму
1. Придушення перехідної напруги (TVS): «запобіжний клапан» з наносекундним рівнем реакції
Діоди TVS швидко проводять, коли напруга перевищує напругу пробою (Vbr) через нелінійні вольт-амперні характеристики, обмежуючи перенапругу в безпечному діапазоні. Його час відгуку становить лише 1 пс, що може ефективно поглинати перехідну енергію, таку як удари блискавки та електростатичний розряд. Наприклад, у схемі світлодіодного драйвера пульсоксиметра двонаправлений діод TVS (наприклад, SMAJ5.0A) може одночасно пригнічувати позитивні та негативні стрибки напруги, захищаючи фотодіод від електростатичного удару.

2. Оптимізація функції зворотного відновлення: усунення шуму перемикача
Діоди зі швидким відновленням (FRD) і діоди Шотткі зменшують дзвінки напруги у високо-частотних імпульсних джерелах живлення, скорочуючи час зворотного відновлення (TRR). Наприклад, у перетворювачі DC-DC схеми отримання ЕКГ MBR30200PT діод Шотткі (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. Захист від обмеження струму: плавний пуск і управління температурою
Підключіть термістор NTC послідовно до вхідної клеми живлення та використовуйте значення його холодного високого опору (наприклад, 5 Ом для моделі 5D-9 при 25 градусах), щоб обмежити імпульсний струм під час увімкнення. Після нагрівання струму значення опору падає до<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. Фіксація та стабілізація напруги: захист чутливих ланцюгів
Стабілітрони забезпечують стабільну опорну напругу для підсилювачів біоелектричного потенціалу завдяки сталості напруги в області зворотного пробою. Наприклад, серія чіпів AD8233 містить внутрішній діод-регулятор напруги, який може стискати діапазон коливань вхідної напруги схеми посилення сигналу ЕКГ від ± 20% до ± 1%, забезпечуючи точність визначення частоти серцевих скорочень.

3. Типові сценарії застосування та рішення
1. Захист датчика фотоплетизмографії (PPG).
У оксиметрі червоний світлодіод (660 нм) та інфрачервоний світлодіод (940 нм) по черзі випромінюють світло, а фотодіод приймає відбите світло та перетворює його на електричний сигнал. Щоб запобігти впливу електростатичного розряду, двонаправлений діод TVS (наприклад, P6SMB15CA) слід підключити паралельно до інтерфейсу датчика з напругою фіксації 15 В, яка може поглинати ± 8 кВ енергії електростатичного розряду. У той же час діоди Шотткі (такі як BAT54S) з’єднані послідовно в ланцюзі управління світлодіодами, щоб зменшити споживання електроенергії за рахунок використання їх низького прямого падіння напруги (0,15 В) і уникнути погіршення терміну служби світлодіодів, спричиненого надмірним струмом.

2. Захист схеми збору біоелектричного потенціалу ЕКГ
Коли електроди ЕКГ стикаються зі шкірою, статична електрика людини може генерувати тисячі вольт перехідної напруги. Завдяки паралельному підключенню діодів TVS (таких як SMAJ12CA) на вході електрода можна знизити напругу до рівня нижче 12 В, захищаючи попередній підсилювач (наприклад, AD8221) від пошкодження. Крім того, комбінація мостового випрямляча та термістора NTC використовується на кінці вхідного живлення для придушення стрибків струму, викликаного коливаннями хвилі мережі, і забезпечення стабільності отримання сигналу ЕКГ.

3. Управління живленням портативного пристрою
У портативних моніторах, таких як розумні браслети, ланцюг заряджання та розряджання батареї має справлятися з короткочасними високими стрибками струму. Завдяки використанню SiC-діодів Шотткі (таких як C6D10065A) замість традиційних кремнієвих діодів час зворотного відновлення близький до нуля, що може зменшити втрати при перемиканні на 60% і витримувати перехідні струми 100 А, уникаючи пошкодження обладнання, спричиненого перезарядом акумулятора або коротким замиканням. Крім того, діод захисту від електростатичного розряду (наприклад, ESD5D150TA) інтегрований в USB-інтерфейс зарядки для розряду статичної електрики ± 15 кВ і захисту внутрішньої мікросхеми зарядки.