Kako spriječiti povratni tok struje u diodama u medicinskoj opremi?

一, Princip protiv povratnog toka: Jednosmjerna vodljivost PN spoja
Struktura jezgre diode je PN spoj, formiran kombinacijom poluvodiča tipa P- (s mnogo rupa) i poluvodiča tipa N- (s mnogo slobodnih elektrona). Njegova funkcija protiv povratnog toka temelji se na sljedećim fizičkim mehanizmima:

Pozitivna kondukcija: Kada je P terminal spojen na pozitivnu elektrodu, a N terminal na negativnu elektrodu, primijenjeni napon slabi električno polje unutar PN spoja, uzrokujući difuziju nositelja i formiranje vodljive struje, dopuštajući struji da teče od P do N.
Obrnuto prekidanje: kada je N terminal spojen na pozitivnu elektrodu, a P terminal spojen na negativnu elektrodu, primjenjuje se vanjski napon kako bi se pojačalo unutarnje električno polje, proširio osiromašeni sloj, spriječio prolaz nositelja naboja i omogućila samo izuzetno mala reverzna struja curenja (obično razina nanoampera).
Ova jednosmjerna vodljivost čini diodu prirodnim 'strujnim jednosmjernim-ventilom'. Na primjer, Schottky dioda (kao što je SS14) spojena je paralelno na ulaz napajanja prijenosne ultrazvučne sonde. Kada je polaritet napajanja obrnut, dioda se isključuje u suprotnom smjeru, blokirajući strujni put i sprječavajući izgaranje unutarnjeg kruga.

2, Tipični scenariji primjene u medicinskoj opremi
1. Prijenosni medicinski uređaji: ravnoteža male potrošnje energije i visoke pouzdanosti
U uređajima kao što su mjerači glukoze u krvi i prijenosni elektrokardiografi, Schottky diode su preferirani izbor za sprječavanje povratnog toka zbog niskog pada napona prema naprijed (0,15-0,45 V). Na primjer, određeni model mjerača glukoze u krvi koristi dvostruki niz Schottky dioda BAT54S za postizanje sljedećih funkcija:

Zaštita od obrnutog spoja: paralelno spojen na priključak za napajanje. Kada se polaritet napajanja obrne, dioda će se obrnuti i prekinuti, blokirajući strujni put.
Odabir puta napajanja: U sustavu napajanja s dvostrukom baterijom, glavni i pomoćni izvori napajanja automatski se prebacuju putem dioda kako bi se osiguralo neprekidno napajanje.
Zaštita od ograničenja struje: spojena u seriju s pogonskim krugom motora, koristeći pad napona za ograničavanje startne struje i sprječavanje strujnog udara kada je motor zaključan.
2. Medicinska oprema velike snage: otpornost na udarce i optimizacija stabilnosti
U uređajima kao što su defibrilatori i visoko{0}}frekventni električni noževi, potrebno je nositi se s prolaznim udarima visoke struje. U ovom trenutku diode s brzim obnavljanjem (FRD) i diode od silicij karbida (SiC) postaju ključne komponente:

Krug punjenja defibrilatora: koristi se MBR30200PT Schottky modul (30A/200V) s obrnutim vremenom oporavka (trr) manjim od 5ns, što može spriječiti skokove napona uzrokovane kašnjenjem prekidača diode tijekom punjenja i zaštititi visoko-naponske kondenzatore od prenaponskog kvara.
Visokofrekventni izlazni stupanj s električnim nožem: korištenje C6D10065A SiC Schottky diode (100 A/650 V), njezin niski pad napona (1,5 V) i otpornost na visoke temperature (temperatura spoja od 175 stupnjeva) osiguravaju da se vlastita potrošnja energije diode smanji za 60% tijekom visoko-frekventnog rezanja od 1 MHz, dok se izbjegava degradacija performansi uzrokovana pregrijavanjem.
3. Precizni medicinski instrumenti: cjelovitost signala i dizajn protiv -smetnji
U uređajima kao što su elektrokardiografi i elektroencefalografi, prikupljanje slabih bioelektričnih signala zahtijeva strogo potiskivanje šuma. U ovoj točki zajednički dizajn fotodioda i zaštitnih dioda postaje ključan:

Optoelektronička izolacija sprege: U ulaznom kanalu signala, 6N137 optokapler se koristi za postizanje električne izolacije i blokiranje zajedničkih smetnji putem fotoelektrične pretvorbe dioda.
ESD zaštita: Na sučelju senzora, paralelna ESD5D150TA Schottky dioda s malom strujom curenja (<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, Inovativno rješenje protiv povratnog toka: Kolaborativni dizajn dioda i drugih komponenti
1. Kompozitni zaštitni krug: dioda+TVS dioda
U modulu za prijenos slike medicinskih endoskopa usvojena je kompozitna zaštitna shema "Schottky dioda+TVS dioda" za sprječavanje prolaznog prenapona uzrokovanog udarima groma ili statičkim elektricitetom:

Schottky dioda: paralelno spojena na priključak za napajanje, pruža dnevnu zaštitu od preokreta.
TVS dioda: serija spojena na signalnu liniju, njeno ultra brzo vrijeme odziva (<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. Zaštita od samooporavka: dioda+PTC termistor
U krugu punjenja nosivih medicinskih uređaja (kao što su pametne narukvice), usvojena je zaštitna shema samooporavka "Schottky dioda + PTC termistor":

Schottky dioda: sprječava obrnuto spajanje baterije dok koristi karakteristike niskog pada napona za smanjenje gubitaka pri punjenju.
PTC termistor: serija spojena na put punjenja, kada struja prijeđe prag, vrijednost PTC otpora naglo raste, ograničavajući struju; Nakon rješavanja problema, PTC se automatski vraća u stanje niskog otpora bez potrebe za zamjenom komponenti.
3. Idealno diodno rješenje: integracija i inteligencija
S popularnošću materijala sa širokim pojasnim razmakom, integrirane idealne diode (kao što je LM66100DCK) postale su preferirani izbor za-medicinsku opremu visoke klase. Njegov princip rada je sljedeći:

Napajanje adaptera za napajanje: Odspojite izlaz TYPE-C kroz interni PMOS prekid.
TIP-C napajanje: izlazni napon od 5 V kroz unutarnju PMOS provodljivost.
Napaja se baterijom: Kada i točka A i točka C imaju potencijal od 0 V, unutarnji PMOS provodi i baterija napaja opterećenje.
Ovo rješenje ima prednosti sveobuhvatne zaštite, niskog smanjenja tlaka, niskog unutarnjeg otpora i niske proizvodnje topline, a naširoko se koristi u prijenosnim ultrazvucima, endoskopima i drugoj opremi.