Ako zabrániť spätnému toku prúdu v diódach v zdravotníckych zariadeniach?

一, Princíp proti spätnému toku: Jednosmerná vodivosť PN prechodu
Jadrom diódy je PN prechod vytvorený kombináciou polovodiča typu P- (s mnohými otvormi) a polovodiča typu N- (s množstvom voľných elektrónov). Jeho funkcia proti spätnému toku je založená na nasledujúcich fyzikálnych mechanizmoch:

Pozitívne vedenie: Keď je svorka P pripojená ku kladnej elektróde a svorka N je pripojená k zápornej elektróde, aplikované napätie oslabuje elektrické pole vo vnútri PN prechodu, čo spôsobuje difúziu nosiča a vytvára vodivý prúd, ktorý umožňuje prúdenie prúdu z P do N.
Reverzné prerušenie: Keď je svorka N pripojená ku kladnej elektróde a svorka P je pripojená k zápornej elektróde, použije sa vonkajšie napätie na zvýšenie vnútorného elektrického poľa, rozšírenie vrstvy vyčerpania, zabránenie prechodu nosičov náboja a umožnenie len extrémne malého spätného zvodového prúdu (zvyčajne na úrovni nanoampérov).
Táto jednosmerná vodivosť robí z diódy prirodzený „prúdový jednosmerný{0} ventil“. Napríklad Schottkyho dióda (ako je SS14) je pripojená paralelne k príkonu prenosnej ultrazvukovej sondy. Pri prepólovaní napájania sa dióda vypne v opačnom smere, čím zablokuje dráhu prúdu a zabráni vyhoreniu vnútorného obvodu.

2, Typické aplikačné scenáre v zdravotníckych zariadeniach
1. Prenosné zdravotnícke pomôcky: vyvažujú nízku spotrebu energie a vysokú spoľahlivosť
V zariadeniach, ako sú glukomery a prenosné elektrokardiografy, sú Schottkyho diódy preferovanou voľbou na zabránenie spätnému toku kvôli ich nízkemu poklesu napätia vpred (0,15-0,45V). Napríklad určitý model glukomera používa BAT54S duálne pole Schottkyho diód na dosiahnutie nasledujúcich funkcií:

Ochrana proti spätnému pripojeniu: paralelné pripojenie k napájacej vstupnej svorke. Keď je polarita napájania obrátená, dióda sa obráti a vypne, čím zablokuje prúdovú cestu.
Výber napájacej cesty: V systéme dvojitého batériového napájania sa hlavný a záložný zdroj automaticky prepínajú pomocou diód, aby sa zabezpečilo nepretržité napájanie.
Ochrana obmedzujúca prúd: zapojená do série s obvodom pohonu motora, využíva pokles napätia na obmedzenie rozbehového prúdu a zabránenie prúdovému rázu, keď je motor zablokovaný.
2. Vysokovýkonné lekárske vybavenie: odolnosť proti nárazu a optimalizácia stability
V zariadeniach, ako sú defibrilátory a vysokofrekvenčné{0}}elektrické nože, je potrebné riešiť prechodné vysokoprúdové rázy. V tomto bode sa diódy rýchlej obnovy (FRD) a diódy karbidu kremíka (SiC) stávajú kľúčovými komponentmi:

Nabíjací obvod defibrilátora: Používa sa modul Schottkyho MBR30200PT (30A/200V) s dobou spätného zotavenia (trr) menej ako 5ns, čo môže zabrániť napäťovým špičkám spôsobeným oneskorením spínača diódy počas nabíjania a chrániť vysokonapäťové kondenzátory pred prepätím.
Koncový stupeň vysokofrekvenčného elektrického noža: použitie SiC Schottkyho diódy C6D10065A (100A/650V), jej nízky pokles napätia vpred (1,5V) a charakteristika odolnosti voči vysokej teplote (teplota prechodu 175 stupňov) zaisťujú, že vlastná spotreba energie diódy sa zníži o 60 % počas 1MHz vysokého-prehriatia spôsobeného znížením výkonu v dôsledku prerušenia frekvencie.
3. Presné lekárske prístroje: integrita signálu a dizajn proti-rušeniu
V zariadeniach, ako sú elektrokardiografy a elektroencefalografy, si získanie slabých bioelektrických signálov vyžaduje prísne potláčanie šumu. V tomto bode sa spoločný dizajn fotodiód a ochranných diód stáva kľúčovým:

Izolácia optoelektronickej väzby: Vo vstupnom kanáli signálu sa používa optočlen 6N137 na dosiahnutie elektrickej izolácie a blokovanie rušenia spoločného režimu prostredníctvom fotoelektrickej konverzie diód.
ESD ochrana: Na rozhraní snímača paralelná ESD5D150TA Schottkyho dióda s nízkym zvodovým prúdom (<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, Inovatívne riešenie proti spätnému toku: spoločný dizajn diód a ďalších komponentov
1. Kompozitný ochranný obvod: dióda+TVS dióda
V module prenosu obrazu lekárskych endoskopov sa používa zložená ochranná schéma „Schottkyho dióda + TVS dióda“, aby sa zabránilo prechodnému prepätiu spôsobenému údermi blesku alebo statickou elektrinou:

Schottkyho dióda: paralelne pripojená k napájacej vstupnej svorke, poskytuje dennú ochranu proti spätnému chodu.
Dióda TVS: sériovo pripojená k signálovej linke, jej ultra rýchly čas odozvy (<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. Samoobnovovacia ochrana: dióda + PTC termistor
V nabíjacom obvode nositeľných zdravotníckych zariadení (ako sú inteligentné náramky) sa používa schéma samoobnovenia „Schottkyho dióda + PTC termistor“:

Schottkyho dióda: zabraňuje spätnému pripojeniu batérie a zároveň využíva jej charakteristiky nízkeho poklesu napätia na zníženie strát pri nabíjaní.
PTC termistor: sériovo pripojený k nabíjacej dráhe, keď prúd prekročí prahovú hodnotu, hodnota odporu PTC sa prudko zvýši, čím sa obmedzí prúd; Po odstránení problémov sa PTC automaticky vráti do stavu nízkeho odporu bez potreby výmeny komponentov.
3. Ideálne riešenie diódy: integrácia a inteligencia
Vďaka popularite materiálov so širokým pásmovým odstupom sa integrované ideálne diódy (napríklad LM66100DCK) stali preferovanou voľbou pre špičkové{1}}medicínske zariadenia. Jeho pracovný princíp je nasledovný:

Napájanie napájacieho adaptéra: Odpojte výstup TYPE{0}}C cez interné prerušenie PMOS.
TYP -C napájacieho zdroja: Výstupné napätie 5 V cez interné vedenie PMOS.
Napájanie z batérie: Keď má bod A aj bod C potenciál 0 V, interný PMOS vedie a batéria dodáva energiu do záťaže.
Toto riešenie má výhody komplexnej ochrany, nízkeho zníženia tlaku, nízkeho vnútorného odporu a nízkej tvorby tepla a je široko používané v prenosných ultrazvukoch, endoskopoch a iných zariadeniach.