كيفية منع الصواعق والارتفاعات المفاجئة في الثنائيات TVS في المعدات الطبية؟

一, التهديد بضربات البرق وارتفاع المعدات الطبية
تهدد الصواعق المعدات الطبية بطريقتين:

ضربة البرق المباشرة: يضرب البرق المباني أو حاويات المعدات، مما يتسبب في زيادة مفاجئة في إمكانات الأرض، مما يؤدي إلى إحداث فرق محتمل، وإتلاف عزل المعدات؛
ضربة البرق المستحثة: تغزو النبضات الكهرومغناطيسية البرق المعدات من خلال خطوط الكهرباء أو خطوط الإشارة أو الاقتران المكاني، مما يؤدي إلى توليد طفرات عابرة عالية الجهد وإتلاف المكونات الإلكترونية الحساسة.
المعدات الطبية حساسة للغاية لتقلبات الجهد. على سبيل المثال، يتطلب أنبوب الأشعة السينية - للماسح المقطعي المحوسب جهدًا ثابتًا عاليًا للتيار المستمر، بينما تعتمد دائرة الحصول على الإشارة لجهاز تخطيط كهربية القلب على مصدر طاقة تيار مستمر منخفض الضوضاء-. قد يتسبب الجهد الزائد العابر في فشل المعدات، وفقدان البيانات، وحتى الكوارث الثانوية مثل الحرائق. وفقًا للإحصاءات، فإن 80% من حالات تلف المعدات الطبية الناجمة عن ضربات البرق في جميع أنحاء العالم كل عام ترتبط بالتدخل المفاجئ في خطوط الطاقة أو الإشارة.

2، المبدأ الفني والمزايا الأساسية للثنائيات TVS
الصمام الثنائي TVS هو جهاز أشباه الموصلات يعتمد على تأثير انهيار الانهيار الجليدي للوصلة PN، ووظيفته الأساسية هي:

استجابة عابرة: عندما يتجاوز الجهد جهد الانهيار (VBR)، تنتقل TVS من حالة المقاومة العالية إلى حالة المقاومة المنخفضة خلال 1 نانو ثانية، وتشكل مسارًا موصلًا؛
التثبيت الدقيق: تحت تأثير تيار النبض الأقصى (IPP)، قم بتثبيت الجهد عند الحد الأقصى لجهد التثبيت (Vc) للتأكد من أن جهد الدائرة اللاحقة أقل من عتبة الأمان؛
الاسترداد التلقائي: بعد اختفاء التيار، يعود TVS تلقائيًا إلى حالة المعاوقة العالية دون تدخل يدوي ويمكن إعادة استخدامه.
بالمقارنة مع أجهزة الحماية التقليدية مثل MOV وGDT، تتمتع TVS بالمزايا التالية:

سرعة استجابة سريعة للغاية: تتطلب MOV تراكمًا حراريًا لإجراءها، ويتطلب GDT وقت تأين الغاز، ويصل وقت استجابة TVS إلى مستوى البيكو ثانية؛
جهد تثبيت منخفض: يمكن أن تكون المقاومة الديناميكية لـ TVS منخفضة حتى 0.1 أوم، والجهد المتبقي (Vc) أقل بكثير من جهد MOV؛
الحجم الصغير: يبلغ حجم أجهزة التلفاز المثبتة على السطح (مثل سلسلة SMAJ) 0.1 سم مكعب فقط، وهي مناسبة للأجهزة الطبية المدمجة؛
عمر افتراضي طويل: يمكنه تحمل المئات من التأثيرات المفاجئة، بينما تواجه MOVs تدهورًا كبيرًا في الأداء بعد التأثيرات المتعددة.
3، التطبيقات النموذجية للثنائيات TVS في المعدات الطبية
1. حماية وحدة الطاقة
تحتاج وحدة الطاقة الخاصة بالمعدات الطبية إلى تحويل الطاقة الرئيسية (220 فولت/50 هرتز) إلى جهد تيار مستمر ثابت. يقوم الصمام الثنائي TVS بتحويل طاقة التيار المتردد إلى طاقة تيار مستمر نابضة من خلال دائرة مقوم الجسر ومكثف الترشيح، ثم يخرج جهدًا سلسًا بعد تثبيته بواسطة TVS. على سبيل المثال، وحدة الطاقة الخاصة بآلة معينة لغسيل الكلى تستخدم أربعة صمامات ثنائية لمقوم السيليكون 1N5408 لتشكيل دائرة مقوم، ويتم توصيلها بالتوازي مع SMAJ5.0CA TVS (Vc=6.5V) لحماية محول DC/DC الخلفي. عندما تتسبب ضربات البرق في زيادة جهد الدخل فجأة إلى 300 فولت، فإن TVS يوصل الكهرباء خلال 10 نانو ثانية، مما يثبت الجهد الكهربائي إلى 6.5 فولت لتجنب تلف المحول.

2. حماية خط الإشارة
خطوط الإشارة للمعدات الطبية، مثل خط الحصول على إشارة مخطط كهربية القلب لجهاز تخطيط كهربية القلب وخط إشارة المسبار لجهاز التشخيص بالموجات فوق الصوتية، حساسة للضوضاء. تم تصميم صمامات TVS الثنائية بسعة منخفضة (مثل سعة الوصلات من سلسلة LCESeries التي تبلغ 0.5pF فقط) لقمع الزيادات المفاجئة مع تقليل تشويه الإشارة. على سبيل المثال، يستخدم جهاز تخطيط كهربية القلب ذو 12 سلكًا صمامًا ثنائيًا محددًا من النوع BAS70-04 (Vc=7V) لحماية طرف دخل إشارة مخطط كهربية القلب. عندما يتجاوز جهد الإشارة ± 7 فولت، تجري TVS، مما يحد من الجهد ضمن نطاق آمن ويضمن أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) - لشكل موجة مخطط كهربية القلب أكبر من أو تساوي 60 ديسيبل.

3. حماية واجهة الاتصالات
يجب أن تلبي واجهات الاتصال الخاصة بالمعدات الطبية، مثل RS-485 وناقل CAN، متطلبات التوافق الكهرومغناطيسي (EMC). تعمل صمامات TVS الثنائية على حماية خطوط الإشارة التفاضلية من خلال التكوين ثنائي الاتجاه. على سبيل المثال، تستخدم واجهة الاتصال RS-485 للضوء بدون ظل في غرفة عمليات معينة أجهزة TVS ثنائية الاتجاه SR05-4 (Vc=10V). عندما يتم نقل الجهد الناتج عن البرق على طول الزوج الملتوي، يقوم GDT (أنبوب تفريغ الغاز) أولاً بتوصيل التيار وتضخيمه، ويتم التقاط الحافة الصاعدة السريعة المتبقية وتثبيتها إلى أقل من 10 فولت بواسطة TVS خلال 1 نانو ثانية لضمان الاتصال دون انقطاع.

4، اختيار وتصميم نقاط الثنائيات TVS
1. اختيار المعلمات الرئيسية
جهد القطع العكسي (VRMM): يجب أن يكون أعلى قليلاً من جهد التشغيل العادي للدائرة المحمية. على سبيل المثال، يجب أن تختار دائرة إمداد الطاقة بجهد 12 فولت أجهزة TVS ذات VRMM=14V؛
جهد الانهيار (VBR): عادة ما يكون 1.1-1.2 مرة من جهد VRMM، مما يضمن عدم سوء التشغيل أثناء تقلبات الجهد العادي؛
الحد الأقصى لجهد التثبيت (Vc): يجب أن يكون أقل من الحد الأقصى المطلق لجهد التحمل للدائرة اللاحقة. على سبيل المثال، يكون جهد منفذ الإدخال/الإخراج لوحدة MCU 3.3 فولت هو 5.5 فولت، ويجب أن يكون جهد Vc لوحدة TVS أقل من أو يساوي 4.5 فولت؛
ذروة تيار النبض (IPP): يجب اختياره وفقًا لمعايير اختبار التدفق (مثل IEC 61000-4-5 المستوى 4). على سبيل المثال، في مواجهة اختبار زيادة الجهد ± 4 كيلو فولت، يجب تحديد TVS مع IPP أكبر من أو يساوي 1500 واط؛
سعة الوصلة (Cj): يجب تحديد أجهزة التلفاز ذات السعة المنخفضة (مثل سعة الوصلة SACSeries أقل من أو تساوي 0.3pF) لخطوط الإشارة ذات السرعة العالية- لتجنب تشويه الإشارة.
2. تصميم حماية متعدد المستويات
تعتمد المعدات الطبية عادةً نظام حماية من ثلاثة-مستويات "GDT+TVS+filtering":

المستوى الأول (GDT): مسؤول عن أكثر من 90% من إطلاق الطاقة، مع مقاومة عالية للضغط وتدفق تيار كبير، ولكن الاستجابة بطيئة؛
المستوى 2 (TVS): استجابة سريعة للطفرات المتبقية، وتثبيت دقيق لنطاق IC المقبول؛
المستوى الثالث (الترشيح): يتم استخدام مرشح من النوع π - مكون من خرزات مغناطيسية ومكثفات سيراميكية لقمع الضوضاء ذات التردد العالي-.
يجب الحفاظ على مسافة زحف كافية (أكبر من أو تساوي 2 مم) بين المستويات المختلفة لتجنب -انهيار الجهد العالي لسطح ثنائي الفينيل متعدد الكلور.

3. تحسين التخطيط وتبديد الحرارة
قم بالترتيب بالقرب من مدخل الموصل: قم بتقليل الحث الطفيلي للأسلاك. لكل زيادة بمقدار 1nH في الحث، سيتم توليد انخفاض إضافي في الجهد تحت ارتفاعات عالية في di/dt؛
أرضية حماية التوصيل النحاسي ذات مساحة كبيرة (PGND): يوصى بأن يكون عرض الأسلاك أكبر من أو يساوي 20 مل لتجنب مرور التيارات المفاجئة عبر المستوى الأرضي الرقمي؛
تصميم تبديد الحرارة: يجب إضافة تبديد الحرارة عبر المصفوفة أسفل أجهزة التلفاز عالية الطاقة (مثل SMC، DO-201)، ويجب استخدام شحم السيليكون الموصل الحراري إذا لزم الأمر.