Wie verhindern Dioden Stromstöße in Vitalzeichenmonitoren?

一, Aktuelles Überspannungsrisiko bei Geräten zur Überwachung von Vitalfunktionen
Zu den Kernmodulen des Vitalparameter-Überwachungsgeräts gehören fotoelektrische Sensoren, Schaltkreise zur Erfassung bioelektrischer Potenziale und Energieverwaltungseinheiten. Das aktuelle Anstiegsrisiko ergibt sich hauptsächlich aus den folgenden Szenarien:

Stromeingangsklemme: Während des Betriebs von Netzwellen oder beim Laden und Entladen der Batterie können vorübergehende Spannungsspitzen den Spannungsfestigkeitswert des Geräts überschreiten und zu einem Stromkreisausfall führen.
Sensorschnittstelle: Fotodioden (PPG-Sensoren) sind beim Empfang reflektierter Lichtsignale anfällig für Störungen durch Umgebungslicht oder elektrostatische Entladungen, was zu einer Signalüberlastung führen kann.
Erfassung bioelektrischer Potenziale: Wenn EKG-Elektroden mit der Haut in Kontakt kommen, kann durch menschliche statische Elektrizität oder Elektromyographiestörungen eine vorübergehende Hochspannung erzeugt werden, die den Vorverstärker beschädigen kann.
Hochfrequenz-Schaltnetzteil: Interne DC-DC-Wandler können aufgrund der schlechten Sperrverzögerungseigenschaften der Diode während des Schaltens Spannungsschwingungen und elektromagnetische Störungen (EMI) verursachen.
2, Das technische Kernprinzip der Diode zur Verhinderung von Stromstößen
1. Transient Voltage Suppression (TVS): Ein „Sicherheitsventil“ mit einer Reaktion im Nanosekundenbereich
TVS-Dioden leiten durch nichtlineare Voltampere-Kennlinien schnell, wenn die Spannung die Durchbruchspannung (Vbr) überschreitet, und begrenzen die Überspannung auf einen sicheren Bereich. Seine Reaktionszeit beträgt nur 1 ps, wodurch vorübergehende Energie wie Blitzeinschläge und ESD effektiv absorbiert werden können. Beispielsweise kann in der LED-Treiberschaltung eines Pulsoximeters eine bidirektionale TVS-Diode (z. B. SMAJ5.0A) gleichzeitig positive und negative Spannungsspitzen unterdrücken und so die Fotodiode vor elektrostatischen Stößen schützen.

2. Optimierung der Reverse-Recovery-Funktion: Schaltgeräusche eliminieren
Fast-Recovery-Dioden (FRDs) und Schottky-Dioden reduzieren Spannungsschwingungen in Hochfrequenz-Schaltnetzteilen, indem sie die Reverse Recovery Time (TRR) verkürzen. Im DC-DC-Wandler der EKG-Erfassungsschaltung ist beispielsweise die Schottky-Diode 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. Strombegrenzungsschutz: Sanftanlauf und Wärmemanagement
Schließen Sie einen NTC-Thermistor in Reihe mit dem Stromeingangsanschluss an und nutzen Sie seinen hohen Kaltwiderstandswert (z. B. 5 Ω für das Modell 5D-9 bei 25 Grad), um den Stoßstrom beim Einschalten zu begrenzen. Nachdem sich der Strom erwärmt hat, sinkt der Widerstandswert auf<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. Klemmung und Spannungsstabilisierung: Schutz empfindlicher Schaltkreise
Zenerdioden stellen durch die Spannungskonstanz im Sperrdurchbruchsbereich eine stabile Referenzspannung für bioelektrische Potentialverstärker bereit. Die AD8233-Chipserie integriert beispielsweise intern eine Spannungsreglerdiode, die den Eingangsspannungsschwankungsbereich der EKG-Signalverstärkungsschaltung von ± 20 % auf ± 1 % komprimieren kann und so die Genauigkeit der Herzfrequenzerkennung gewährleistet.

3, Typische Anwendungsszenarien und Lösungen
1. Schutz des Photoplethysmographie-Sensors (PPG).
Im Oximeter emittieren die rote LED (660 nm) und die Infrarot-LED (940 nm) abwechselnd Licht, und die Fotodiode empfängt das reflektierte Licht und wandelt es in ein elektrisches Signal um. Um ESD-Auswirkungen zu verhindern, sollte an der Sensorschnittstelle eine bidirektionale TVS-Diode (z. B. P6SMB15CA) mit einer Klemmspannung von 15 V parallel geschaltet werden, die ± 8 kV elektrostatische Entladungsenergie absorbieren kann. Gleichzeitig sind Schottky-Dioden (z. B. BAT54S) in der LED-Treiberschaltung in Reihe geschaltet, um den Stromverbrauch durch Nutzung ihres geringen Vorwärtsspannungsabfalls (0,15 V) zu reduzieren und eine Verschlechterung der LED-Lebensdauer durch übermäßigen Strom zu vermeiden.

2. Schutz des bioelektrischen Potentialerfassungsschaltkreises im EKG
Wenn EKG-Elektroden mit der Haut in Kontakt kommen, kann statische Elektrizität beim Menschen eine Übergangsspannung von mehreren Tausend Volt erzeugen. Durch die Parallelschaltung von TVS-Dioden (z. B. SMAJ12CA) am Elektrodeneingang kann die Spannung auf unter 12 V begrenzt werden, wodurch der Vorverstärker (z. B. AD8221) vor Schäden geschützt wird. Darüber hinaus wird am Stromeingangsende eine Kombination aus Brückengleichrichterschaltung und NTC-Thermistor verwendet, um den durch Schwankungen der Netzwelle verursachten Stoßstrom zu unterdrücken und die Stabilität der EKG-Signalerfassung sicherzustellen.

3. Energieverwaltung für tragbare Geräte
In tragbaren Monitoren wie Smart-Armbändern muss der Lade- und Entladeschaltkreis des Akkus mit vorübergehenden hohen Stromstößen zurechtkommen. Durch die Verwendung von SiC-Schottky-Dioden (z. B. C6D10065A) anstelle herkömmlicher Siliziumdioden liegt die Sperrverzögerungszeit nahe bei Null, was die Schaltverluste um 60 % reduzieren und Übergangsströme von 100 A aushalten kann, wodurch Hardwareschäden durch Batterieüberladung oder Kurzschlüsse vermieden werden. Darüber hinaus ist an der USB-Ladeschnittstelle eine ESD-Schutzdiode (z. B. ESD5D150TA) integriert, um statische Elektrizität von ± 15 kV abzuleiten und den internen Ladechip zu schützen.