Tıbbi ekipmanlarda TVS diyotlarında yıldırım düşmesi ve dalgalanmalar nasıl önlenir?

一, Tıbbi ekipmanlara yönelik yıldırım çarpması ve akım dalgalanması tehdidi
Yıldırım çarpmaları tıbbi ekipmanı iki şekilde tehdit eder:

Doğrudan yıldırım çarpması: Yıldırımın binalara veya ekipman muhafazalarına çarpması, toprak potansiyelinde ani bir artışa neden olması, potansiyel farkı yaratması ve ekipman yalıtımına zarar vermesi;
İndüklenen yıldırım çarpması: Yıldırım elektromanyetik darbeleri, güç hatları, sinyal hatları veya uzaysal bağlantı yoluyla ekipmanı istila ederek geçici yüksek voltaj yükselmeleri oluşturur ve hassas elektronik bileşenlere zarar verir.
Tıbbi ekipmanlar voltaj dalgalanmalarına karşı son derece hassastır. Örneğin, bir CT tarayıcısının X-ışını tüpü sabit yüksek DC voltajı gerektirirken, bir elektrokardiyografın sinyal toplama devresi düşük-gürültülü bir DC güç kaynağına dayanır. Geçici aşırı gerilim, ekipman arızasına, veri kaybına ve hatta yangın gibi ikincil felaketlere neden olabilir. İstatistiklere göre, her yıl dünya çapında yıldırım çarpması sonucu oluşan tıbbi ekipman hasarı vakalarının %80'i, güç veya sinyal hatlarına aşırı gerilim girişimiyle ilgilidir.

2, TVS diyotlarının teknik prensibi ve temel avantajları
TVS diyot, PN bağlantı çığ arıza etkisine dayanan yarı iletken bir cihazdır ve temel işlevi:

Geçici yanıt: Gerilim, arıza gerilimini (VBR) aştığında TVS, 1 nanosaniye içinde yüksek direnç durumundan düşük direnç durumuna geçerek iletken bir yol oluşturur;
Hassas kenetleme: Tepe darbe akımının (IPP) etkisi altında, sonraki devrenin geriliminin güvenlik eşiğinin altında olduğundan emin olmak için gerilimi maksimum kenetleme geriliminde (Vc) kenetleyin;
Otomatik kurtarma: Dalgalanma ortadan kalktıktan sonra TVS, manuel müdahaleye gerek kalmadan otomatik olarak yüksek empedans durumuna döner ve yeniden kullanılabilir.
MOV ve GDT gibi geleneksel koruyucu cihazlarla karşılaştırıldığında TVS aşağıdaki avantajlara sahiptir:

Son derece hızlı tepki hızı: MOV'un iletilmesi için termal birikim gerekir, GDT gaz iyonizasyon süresi gerektirir ve TVS tepki süresi pikosaniye seviyesine ulaşır;
Düşük sıkıştırma voltajı: TVS'nin dinamik direnci 0,1 Ω kadar düşük olabilir ve artık voltaj (Vc), MOV'unkinden önemli ölçüde düşüktür;
Kompakt boyut: Yüzeye monte TV'ler (SMAJ serisi gibi) yalnızca 0,1 santimetreküplük bir hacme sahiptir ve kompakt tıbbi cihazlar için uygundur;
Uzun ömür: Yüzlerce dalgalanma darbesine dayanabilirken MOV'lar birden fazla darbeden sonra önemli performans düşüşü yaşar.
3, TVS diyotlarının tıbbi ekipmanlardaki tipik uygulamaları
1. Güç modülü koruması
Tıbbi ekipmanın güç modülünün, şebeke gücünü (220V/50Hz) sabit bir DC voltajına dönüştürmesi gerekir. TVS diyotu, bir köprü doğrultucu devresi ve bir filtreleme kapasitörü aracılığıyla AC gücünü titreşimli DC gücüne dönüştürür ve ardından TVS tarafından kenetlendikten sonra düzgün bir voltaj çıkışı sağlar. Örneğin, belirli bir hemodiyaliz makinesinin güç modülü, bir doğrultucu devresi oluşturmak için dört adet 1N5408 silikon doğrultucu diyot kullanır ve arka DC/DC dönüştürücüyü korumak için SMAJ5.0CA TVS (Vc=6.5V) ile paralel olarak bağlanır. Yıldırım çarpması giriş voltajının aniden 300V'a yükselmesine neden olduğunda TVS, dönüştürücünün hasar görmesini önlemek için voltajı 6,5V'a sabitleyerek 10ns içinde iletime geçer.

2. Sinyal hattı koruması
Bir elektrokardiyografın elektrokardiyogram sinyal toplama hattı ve bir ultrason teşhis cihazının prob sinyal hattı gibi tıbbi ekipmanın sinyal hatları gürültüye duyarlıdır. TVS diyotları, sinyal bozulmasını azaltırken dalgalanmaları bastırmak için düşük kapasitansla (yalnızca 0,5pF'lik LCSeries bağlantı kapasitansı gibi) tasarlanmıştır. Örneğin, 12 uçlu bir elektrokardiyogram makinesi, elektrokardiyogram sinyalinin giriş ucunu korumak için BAS70-04 tipi sınırlayıcı diyot (Vc=7V) kullanır. Sinyal voltajı ± 7V'yi aştığında TVS ileterek voltajı güvenli bir aralıkta sınırlandırır ve elektrokardiyogram dalga formunun sinyal-gürültü oranının (SNR) 60dB'den büyük veya buna eşit olmasını sağlar.

3. İletişim arayüzü koruması
Tıbbi ekipmanın RS-485 ve CAN veri yolu gibi iletişim arayüzleri elektromanyetik uyumluluk (EMC) gereksinimlerini karşılamalıdır. TVS diyotları diferansiyel sinyal hatlarını çift yönlü konfigürasyon yoluyla korur. Örneğin, belirli bir ameliyathanedeki gölgesiz ışığın RS-485 iletişim arayüzü, SR05-4 çift yönlü TVS'yi (Vc=10V) kullanır. Yıldırım kaynaklı voltaj bükümlü çift boyunca iletildiğinde, GDT (gaz deşarj tüpü) ilk önce akımı iletir ve güçlendirir ve kesintisiz iletişimi sağlamak için kalan hızlı yükselen kenar yakalanır ve TVS tarafından 1ns içinde 10V'nin altına sıkıştırılır.

4, TVS diyotların seçimi ve tasarım noktaları
1. Temel parametrelerin seçimi
Ters Kesme Gerilimi (VRMM): Korunan devrenin normal çalışma geriliminin biraz üzerinde olmalıdır. Örneğin, 12V'luk bir güç kaynağı devresi VRMM=14V'li bir TVS seçmelidir;
Arıza voltajı (VBR): genellikle VRMM'nin 1,1-1,2 katıdır, normal voltaj dalgalanmaları sırasında hatalı çalışma olmamasını sağlar;
Maksimum kenetleme voltajı (Vc): sonraki devrenin mutlak maksimum dayanma voltajından daha düşük olmalıdır. Örneğin, 3,3 V'luk bir MCU'nun IO bağlantı noktası dayanım voltajı 5,5 V'tur ve TVS'nin Vc'si 4,5 V'tan az veya ona eşit olmalıdır;
Tepe Darbe Akımı (IPP): Dalgalanma test standartlarına (IEC 61000-4-5 Seviye 4 gibi) göre seçilmesi gerekmektedir. Örneğin ± 4kV dalgalanma testi karşısında IPP'si 1500W'tan büyük veya ona eşit bir TV'nin seçilmesi gerekir;
Bağlantı kapasitansı (Cj): Sinyal bozulmasını önlemek amacıyla yüksek- hızlı sinyal hatları için düşük kapasitanslı TVS (SACSeries bağlantı kapasitansı 0,3pF'den az veya ona eşit) seçilmelidir.
2. Çok seviyeli koruma tasarımı
Tıbbi ekipman genellikle "GDT+TVS+filtreleme" şeklinde{0}üç seviyeli bir koruma şemasını benimser:

Birinci seviye (GDT): Enerji salınımının %90'ından fazlasından sorumludur, yüksek basınç direnci ve büyük akım akışıyla birlikte yavaş yanıt verir;
Seviye 2 (TVS): Artık ani artışlara hızlı yanıt, IC'nin kabul edilebilir aralığa hassas sıkıştırma;
Üçüncü seviye (filtreleme): Yüksek-frekanslı gürültüyü bastırmak için manyetik boncuklardan ve seramik kapasitörlerden oluşan π - tipi bir filtre kullanılır.
PCB yüzeyinin yüksek-voltajlı bozulmasını önlemek için farklı seviyeler arasında yeterli kaçak mesafesi (2 mm'den büyük veya eşit) korunmalıdır.

3. Yerleşim ve ısı dağılımı optimizasyonu
Konektör girişinin yakınına yerleştirin: kabloların parazitik endüktansını azaltın. Endüktanstaki her 1nH'lik artış için, yüksek di/dt dalgalanmaları altında ek voltaj düşüşü oluşturulacaktır;
Geniş alan bakır bağlantı koruma topraklaması (PGND): Dijital toprak düzleminden geçen aşırı akımları önlemek için 20 mil veya daha büyük bir kablo genişliğine sahip olunması önerilir;
Isı dağıtma tasarımı: Yüksek-güçlü TV'lerin (SMC, DO-201 ambalajı gibi) altına dizi yoluyla bir ısı dağıtma eklenmeli ve gerekirse termal iletken silikon gresi kullanılmalıdır.