In che modo i diodi prevengono i picchi di corrente nei monitor dei segni vitali?

一, Rischio di sovratensione attuale nei dispositivi di monitoraggio dei segni vitali
I moduli principali del dispositivo di monitoraggio dei segni vitali includono sensori fotoelettrici, circuiti di acquisizione del potenziale bioelettrico e unità di gestione dell'energia. L’attuale rischio di aumento deriva principalmente dai seguenti scenari:

Terminale di ingresso alimentazione: durante il funzionamento delle onde di rete o di carica e scarica della batteria, i picchi di tensione transitori possono superare il valore di tensione di resistenza dell'apparecchiatura, causando un guasto del circuito.
Interfaccia sensore: i fotodiodi (sensori PPG) sono sensibili alle interferenze della luce ambientale o alle scariche elettrostatiche quando ricevono segnali di luce riflessa, causando un sovraccarico del segnale.
Acquisizione del potenziale bioelettrico: quando gli elettrodi ECG entrano in contatto con la pelle, l'elettricità statica umana o l'interferenza elettromiografia possono generare un'alta tensione transitoria che può danneggiare il preamplificatore.
Alimentatore con commutazione ad alta frequenza: i convertitori CC-CC interni possono causare squilli di tensione e interferenze elettromagnetiche (EMI) a causa delle scarse caratteristiche di recupero inverso del diodo durante la commutazione.
2, il principio tecnico fondamentale del diodo per prevenire picchi di corrente
1. Soppressione della tensione transitoria (TVS): una "valvola di sicurezza" con risposta a livello di nanosecondi
I diodi TVS conducono rapidamente quando la tensione supera la tensione di rottura (Vbr) attraverso caratteristiche volt-ampere non lineari, limitando la sovratensione a un intervallo sicuro. Il suo tempo di risposta è di appena 1 ps, in grado di assorbire efficacemente l'energia transitoria come fulmini ed ESD. Ad esempio, nel circuito del driver LED di un pulsossimetro, un diodo TVS bidirezionale (come SMAJ5.0A) può sopprimere contemporaneamente i picchi di tensione positivi e negativi, proteggendo il fotodiodo dagli shock elettrostatici.

2. Ottimizzazione della funzionalità di ripristino inverso: eliminazione del rumore dell'interruttore
I diodi a recupero rapido (FRD) e i diodi Schottky riducono gli squilli di tensione negli alimentatori a commutazione ad alta-frequenza accorciando il tempo di recupero inverso (TRR). Ad esempio, nel convertitore DC-DC del circuito di acquisizione ECG, il diodo Schottky MBR30200PT (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. Protezione limitatrice di corrente: avvio graduale e gestione termica
Collegare un termistore NTC in serie al terminale di ingresso dell'alimentazione e utilizzare il suo valore di resistenza elevata a freddo (come 5 Ω per il modello 5D-9 a 25 gradi) per limitare la corrente di picco all'accensione. Dopo che la corrente si è riscaldata, il valore della resistenza scende a<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. Bloccaggio e stabilizzazione della tensione: protezione dei circuiti sensibili
I diodi Zener forniscono una tensione di riferimento stabile per gli amplificatori di potenziale bioelettrico attraverso la costanza della tensione nella regione di rottura inversa. Ad esempio, la serie di chip AD8233 integra internamente un diodo regolatore di tensione, che può comprimere l'intervallo di fluttuazione della tensione di ingresso del circuito di amplificazione del segnale ECG da ± 20% a ± 1%, garantendo la precisione del rilevamento della frequenza cardiaca.

3, Scenari e soluzioni applicativi tipici
1. Protezione del sensore fotopletismografico (PPG).
Nell'ossimetro, il LED rosso (660 nm) e il LED infrarosso (940 nm) emettono luce alternativamente e il fotodiodo riceve la luce riflessa e la converte in un segnale elettrico. Per prevenire l'impatto delle scariche elettrostatiche, un diodo TVS bidirezionale (come P6SMB15CA) deve essere collegato in parallelo all'interfaccia del sensore, con una tensione di bloccaggio di 15 V, che può assorbire ± 8 kV di energia di scarica elettrostatica. Allo stesso tempo, i diodi Schottky (come BAT54S) sono collegati in serie nel circuito di pilotaggio dei LED per ridurre il consumo energetico sfruttando la bassa caduta di tensione diretta (0,15 V) ed evitare il degrado della durata di vita dei LED causato da una corrente eccessiva.

2. Protezione del circuito di acquisizione del potenziale bioelettrico dell'ECG
Quando gli elettrodi ECG entrano in contatto con la pelle, l'elettricità statica umana può generare migliaia di volt di tensione transitoria. Mettendo in parallelo i diodi TVS (come SMAJ12CA) all'ingresso dell'elettrodo, la tensione può essere limitata al di sotto di 12 V, proteggendo il preamplificatore (come AD8221) da eventuali danni. Inoltre, all'estremità di ingresso dell'alimentazione viene utilizzata una combinazione di circuito raddrizzatore a ponte+termistore NTC per sopprimere la sovracorrente causata dalla fluttuazione dell'onda di rete e garantire la stabilità dell'acquisizione del segnale ECG.

3. Gestione energetica del dispositivo portatile
Nei monitor portatili come i braccialetti intelligenti, il circuito di carica e scarica della batteria deve far fronte a picchi transitori di corrente elevata. Utilizzando diodi SiC Schottky (come C6D10065A) invece dei tradizionali diodi al silicio, il tempo di recupero inverso è vicino allo zero, il che può ridurre le perdite di commutazione del 60% e resistere a correnti transitorie di 100 A, evitando danni all'hardware causati dal sovraccarico della batteria o dai cortocircuiti. Inoltre, un diodo di protezione ESD (come ESD5D150TA) è integrato nell'interfaccia di ricarica USB per scaricare l'elettricità statica ± 15 kV e proteggere il chip di ricarica interno.