Come prevenire fulmini e sovratensioni nei diodi TVS nelle apparecchiature mediche?

一, La minaccia di fulmini e sovratensioni sulle apparecchiature mediche
I fulmini minacciano le apparecchiature mediche in due modi:

Fulmine diretto: il fulmine colpisce edifici o involucri di apparecchiature, provocando un improvviso aumento del potenziale di terra, creando una differenza di potenziale e danneggiando l'isolamento delle apparecchiature;
Fulmine indotto: gli impulsi elettromagnetici dei fulmini invadono le apparecchiature attraverso linee elettriche, linee di segnale o accoppiamento spaziale, generando picchi transitori di alta tensione e danneggiando componenti elettronici sensibili.
Le apparecchiature mediche sono estremamente sensibili alle fluttuazioni di tensione. Ad esempio, il tubo a raggi X-di uno scanner TC richiede un'alta tensione CC stabile, mentre il circuito di acquisizione del segnale di un elettrocardiografo si basa su un'alimentazione CC a basso-rumore. La sovratensione transitoria può causare guasti alle apparecchiature, perdita di dati e persino disastri secondari come incendi. Secondo le statistiche, l'80% dei casi di danni alle apparecchiature mediche causati ogni anno da fulmini in tutto il mondo sono legati all'intrusione di sovratensioni nelle linee elettriche o di segnale.

2, Il principio tecnico e i vantaggi principali dei diodi TVS
Il diodo TVS è un dispositivo a semiconduttore basato sull'effetto di rottura a valanga della giunzione PN e la sua funzione principale è:

Risposta transitoria: quando la tensione supera la tensione di rottura (VBR), il TVS passa da uno stato ad alta resistenza a uno stato a bassa resistenza entro 1 nanosecondo, formando un percorso conduttivo;
Bloccaggio preciso: sotto l'azione della corrente di picco dell'impulso (IPP), bloccare la tensione alla tensione di bloccaggio massima (Vc) per garantire che la tensione del circuito successivo sia inferiore alla soglia di sicurezza;
Ripristino automatico: una volta scomparsa la sovratensione, il TVS ritorna automaticamente allo stato di alta impedenza senza intervento manuale e può essere riutilizzato.
Rispetto ai tradizionali dispositivi di protezione quali MOV e GDT, TVS presenta i seguenti vantaggi:

Velocità di risposta estremamente rapida: MOV richiede accumulo termico per condurre, GDT richiede tempo di ionizzazione del gas e il tempo di risposta TVS raggiunge il livello di picosecondi;
Bassa tensione di bloccaggio: la resistenza dinamica di TVS può arrivare fino a 0,1 Ω e la tensione residua (Vc) è significativamente inferiore a quella di MOV;
Dimensioni compatte: i TV a montaggio superficiale (come la serie SMAJ) hanno un volume di soli 0,1 centimetri cubi, adatti per dispositivi medici compatti;
Lunga durata: può resistere a centinaia di impatti di sovratensione, mentre i MOV subiscono un significativo degrado delle prestazioni dopo impatti multipli.
3, applicazioni tipiche dei diodi TVS nelle apparecchiature mediche
1. Protezione del modulo di potenza
Il modulo di alimentazione delle apparecchiature mediche deve convertire l'alimentazione di rete (220 V/50 Hz) in una tensione CC stabile. Il diodo TVS converte l'energia CA in energia CC pulsante attraverso un circuito raddrizzatore a ponte e un condensatore di filtraggio, quindi emette una tensione uniforme dopo essere stata bloccata dal TVS. Ad esempio, il modulo di alimentazione di una determinata macchina per emodialisi utilizza quattro diodi raddrizzatori al silicio 1N5408 per formare un circuito raddrizzatore ed è collegato in parallelo con SMAJ5.0CA TVS (Vc=6.5V) per proteggere il convertitore CC/CC posteriore. Quando i fulmini causano un aumento improvviso della tensione di ingresso a 300 V, il TVS conduce entro 10 ns, limitando la tensione a 6,5 ​​V per evitare danni al convertitore.

2. Protezione della linea del segnale
Le linee di segnale delle apparecchiature mediche, come la linea di acquisizione del segnale dell'elettrocardiogramma di un elettrocardiografo e la linea del segnale della sonda di un dispositivo diagnostico a ultrasuoni, sono sensibili al rumore. I diodi TVS sono progettati con bassa capacità (come la capacità di giunzione della serie LCE di soli 0,5 pF) per sopprimere le sovratensioni riducendo al tempo stesso la distorsione del segnale. Ad esempio, una macchina per elettrocardiogramma a 12 derivazioni utilizza un diodo limitatore di tipo BAS70-04 (Vc=7V) per proteggere l'estremità di ingresso del segnale dell'elettrocardiogramma. Quando la tensione del segnale supera ± 7 V, TVS conduce, limitando la tensione entro un intervallo sicuro e garantendo che il rapporto segnale-rumore (SNR) della forma d'onda dell'elettrocardiogramma sia maggiore o uguale a 60 dB.

3. Protezione dell'interfaccia di comunicazione
Le interfacce di comunicazione delle apparecchiature mediche, come RS-485 e bus CAN, devono soddisfare i requisiti di compatibilità elettromagnetica (EMC). I diodi TVS proteggono le linee di segnale differenziale attraverso la configurazione bidirezionale. Ad esempio, l'interfaccia di comunicazione RS-485 di una luce senza ombre in una determinata sala operatoria utilizza TVS bidirezionale SR05-4 (Vc=10V). Quando la tensione indotta dal fulmine viene trasmessa lungo il doppino, il GDT (tubo a scarica di gas) innanzitutto conduce e amplifica la corrente, quindi il fronte di salita rapido residuo viene catturato e bloccato a meno di 10 V dal TVS entro 1 ns per garantire una comunicazione ininterrotta.

4, Punti di selezione e progettazione dei diodi TVS
1. Selezione dei parametri chiave
Tensione di interruzione inversa (VRMM): dovrebbe essere leggermente superiore alla normale tensione operativa del circuito protetto. Ad esempio, un circuito di alimentazione a 12 V dovrebbe scegliere un TVS con VRMM=14V;
Tensione di rottura (VBR): solitamente 1,1-1,2 volte quella di VRMM, garantendo l'assenza di malfunzionamenti durante le normali fluttuazioni di tensione;
Tensione massima di tenuta (Vc): deve essere inferiore alla tensione massima assoluta di tenuta del circuito successivo. Ad esempio, la tensione di resistenza della porta IO di un MCU da 3,3 V è 5,5 V e la Vc di un TVS deve essere inferiore o uguale a 4,5 V;
Corrente di picco impulsivo (IPP): deve essere selezionata in base agli standard di test sulle sovratensioni (come IEC 61000-4-5 Livello 4). Ad esempio, a fronte di un test di sovratensione di ± 4kV, è necessario selezionare un TVS con IPP maggiore o uguale a 1500W;
Capacità di giunzione (Cj): TVS a bassa capacità (come la capacità di giunzione SACSeries inferiore o uguale a 0,3 pF) deve essere selezionato per le linee di segnale ad alta-velocità per evitare la distorsione del segnale.
2. Design di protezione multilivello
Le apparecchiature mediche adottano solitamente uno schema di protezione a tre-livelli di "GDT+TVS+filtro":

Primo livello (GDT): responsabile di oltre il 90% del rilascio di energia, con elevata resistenza alla pressione e ampio flusso di corrente, ma risposta lenta;
Livello 2 (TVS): risposta rapida ai picchi residui, bloccaggio preciso all'intervallo accettabile dell'IC;
Terzo livello (filtraggio): un filtro di tipo π - composto da sfere magnetiche e condensatori ceramici viene utilizzato per sopprimere il rumore ad alta-frequenza.
È necessario mantenere un'adeguata distanza di dispersione (maggiore o uguale a 2 mm) tra i diversi livelli per evitare guasti ad alta-tensione della superficie del PCB.

3. Ottimizzazione del layout e della dissipazione del calore
Disporre vicino all'ingresso del connettore: ridurre l'induttanza parassita del cablaggio. Per ogni aumento di 1 nH dell'induttanza, verrà generata un'ulteriore caduta di tensione in caso di picchi di/dt elevati;
Terra di protezione della connessione in rame su vasta area (PGND): si consiglia di avere una larghezza di cablaggio maggiore o uguale a 20 mil per evitare sovracorrenti che passano attraverso il piano di terra digitale;
Progettazione della dissipazione del calore: è necessario aggiungere una dissipazione del calore tramite array sotto i TVS ad alta-potenza (come SMC, imballaggio DO-201) e, se necessario, utilizzare grasso siliconico termoconduttivo.