Wie können Blitzeinschläge und Überspannungen in TVS-Dioden in medizinischen Geräten verhindert werden?

一, Die Gefahr von Blitzeinschlägen und Überspannungen für medizinische Geräte
Blitzeinschläge bedrohen medizinische Geräte auf zwei Arten:

Direkter Blitzeinschlag: Blitze treffen Gebäude oder Gerätegehäuse, verursachen einen plötzlichen Anstieg des Erdpotenzials, erzeugen eine Potenzialdifferenz und beschädigen die Geräteisolierung.
Induzierter Blitzeinschlag: Elektromagnetische Blitzimpulse dringen über Stromleitungen, Signalleitungen oder räumliche Kopplung in Geräte ein, erzeugen vorübergehende Hochspannungsspitzen und beschädigen empfindliche elektronische Komponenten.
Medizinische Geräte reagieren äußerst empfindlich auf Spannungsschwankungen. Beispielsweise benötigt die Röntgenröhre eines CT-Scanners eine stabile DC-Hochspannung, während die Signalerfassungsschaltung eines Elektrokardiographen auf eine rauscharme DC-Stromversorgung angewiesen ist. Vorübergehende Überspannungen können zu Geräteausfällen, Datenverlust und sogar zu Folgekatastrophen wie Bränden führen. Laut Statistik stehen jedes Jahr weltweit 80 % der durch Blitzeinschläge verursachten Schäden an medizinischen Geräten im Zusammenhang mit dem Eindringen von Überspannungen in Strom- oder Signalleitungen.

2, Das technische Prinzip und die Kernvorteile von TVS-Dioden
Die TVS-Diode ist ein Halbleiterbauelement, das auf dem Lawinendurchbrucheffekt des PN-Übergangs basiert und dessen Kernfunktion ist:

Einschwingverhalten: Wenn die Spannung die Durchbruchspannung (VBR) überschreitet, geht das TVS innerhalb von 1 Nanosekunde von einem Zustand mit hohem Widerstand in einen Zustand mit niedrigem Widerstand über und bildet einen leitenden Pfad.
Präzise Klemmung: Klemmen Sie die Spannung unter Einwirkung des Spitzenimpulsstroms (IPP) auf die maximale Klemmspannung (Vc), um sicherzustellen, dass die Spannung des nachfolgenden Stromkreises unter der Sicherheitsschwelle liegt.
Automatische Wiederherstellung: Nachdem die Überspannung verschwunden ist, kehrt das TVS ohne manuellen Eingriff automatisch in einen hochohmigen Zustand zurück und kann wiederverwendet werden.
Im Vergleich zu herkömmlichen Schutzgeräten wie MOV und GDT bietet TVS folgende Vorteile:

Extrem schnelle Reaktionsgeschwindigkeit: MOV erfordert zum Leiten eine thermische Akkumulation, GDT erfordert Gasionisierungszeit und die TVS-Reaktionszeit erreicht Pikosekundenniveau;
Niedrige Klemmspannung: Der dynamische Widerstand von TVS kann bis zu 0,1 Ω betragen und die Restspannung (Vc) ist deutlich niedriger als die von MOV;
Kompakte Größe: Aufputzmontierte TVS (z. B. die SMAJ-Serie) haben ein Volumen von nur 0,1 Kubikzentimetern und eignen sich für kompakte medizinische Geräte.
Lange Lebensdauer: Es kann Hunderten von Überspannungsstößen standhalten, während MOVs nach mehreren Stößen einen erheblichen Leistungsabfall erleiden.
3, Typische Anwendungen von TVS-Dioden in medizinischen Geräten
1. Schutz des Leistungsmoduls
Das Leistungsmodul medizinischer Geräte muss die Netzspannung (220 V/50 Hz) in eine stabile Gleichspannung umwandeln. Die TVS-Diode wandelt Wechselstrom über eine Brückengleichrichterschaltung und einen Filterkondensator in pulsierenden Gleichstrom um und gibt dann nach der Begrenzung durch das TVS eine glatte Spannung aus. Beispielsweise verwendet das Leistungsmodul eines bestimmten Hämodialysegeräts vier 1N5408-Siliziumgleichrichterdioden zur Bildung einer Gleichrichterschaltung und ist parallel zum SMAJ5.0CA TVS (Vc=6.5V) geschaltet, um den hinteren DC/DC-Wandler zu schützen. Wenn durch Blitzeinschläge die Eingangsspannung plötzlich auf 300 V ansteigt, leitet das TVS innerhalb von 10 ns und begrenzt die Spannung auf 6,5 V, um Schäden am Wandler zu vermeiden.

2. Signalleitungsschutz
Die Signalleitungen medizinischer Geräte, wie beispielsweise die Elektrokardiogramm-Signalerfassungsleitung eines Elektrokardiographen und die Sondensignalleitung eines Ultraschalldiagnosegeräts, reagieren empfindlich auf Rauschen. TVS-Dioden sind mit einer niedrigen Kapazität (z. B. der Sperrschichtkapazität der LCESeries von nur 0,5 pF) ausgestattet, um Überspannungen zu unterdrücken und gleichzeitig Signalverzerrungen zu reduzieren. Beispielsweise verwendet ein Elektrokardiogrammgerät mit 12 Ableitungen eine Begrenzungsdiode (Vc=7V) vom Typ BAS70-04, um das Eingangsende des Elektrokardiogrammsignals zu schützen. Wenn die Signalspannung ± 7 V überschreitet, leitet das TVS, begrenzt die Spannung auf einen sicheren Bereich und stellt sicher, dass das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der Elektrokardiogramm-Wellenform größer oder gleich 60 dB ist.

3. Schutz der Kommunikationsschnittstelle
Die Kommunikationsschnittstellen medizinischer Geräte wie RS-485 und CAN-Bus müssen den Anforderungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) entsprechen. TVS-Dioden schützen Differenzsignalleitungen durch bidirektionale Konfiguration. Beispielsweise verwendet die RS-485-Kommunikationsschnittstelle eines schattenlosen Lichts in einem bestimmten Operationssaal das bidirektionale TVS SR05-4 (Vc=10V). Wenn die blitzinduzierte Spannung über das verdrillte Paar übertragen wird, leitet und verstärkt zunächst die GDT (Gasentladungsröhre) den Strom, und die verbleibende schnelle Anstiegsflanke wird vom TVS erfasst und innerhalb von 1 ns auf unter 10 V begrenzt, um eine unterbrechungsfreie Kommunikation sicherzustellen.

4, Auswahl- und Designpunkte von TVS-Dioden
1. Auswahl der Schlüsselparameter
Rückwärtsabschaltspannung (VRMM): Sie sollte etwas höher sein als die normale Betriebsspannung des geschützten Stromkreises. Beispielsweise sollte ein 12-V-Stromversorgungskreis ein TVS mit VRMM=14V wählen;
Durchbruchspannung (VBR): normalerweise das 1,1- bis 1,2-fache der VRMM, um sicherzustellen, dass es bei normalen Spannungsschwankungen nicht zu Fehlfunktionen kommt;
Maximale Klemmspannung (Vc): muss niedriger sein als die absolute maximale Spannungsfestigkeit des nachfolgenden Stromkreises. Beispielsweise beträgt die Spannungsfestigkeit des E/A-Ports einer 3,3-V-MCU 5,5 V und die Vc eines TVS sollte kleiner oder gleich 4,5 V sein;
Spitzenimpulsstrom (IPP): Er muss gemäß den Überspannungsteststandards (z. B. IEC 61000-4-5 Level 4) ausgewählt werden. Beispielsweise muss bei einem ±4kV-Überspannungstest ein TVS mit einem IPP größer oder gleich 1500 W ausgewählt werden;
Sperrschichtkapazität (Cj): Für Hochgeschwindigkeitssignalleitungen sollte ein TVS mit niedriger Kapazität (z. B. Sperrschichtkapazität der SAC-Serie kleiner oder gleich 0,3 pF) ausgewählt werden, um Signalverzerrungen zu vermeiden.
2. Mehrstufiges Schutzdesign
Medizinische Geräte verwenden normalerweise ein dreistufiges Schutzschema aus „GDT+TVS+Filterung“:

Erste Ebene (GDT): verantwortlich für über 90 % der Energiefreisetzung, mit hohem Druckwiderstand und großem Stromfluss, aber langsamer Reaktion;
Stufe 2 (TVS): Schnelle Reaktion auf Restspitzen, präzise Klemmung im IC-akzeptablen Bereich;
Dritte Ebene (Filterung): Ein Filter vom Typ π -, bestehend aus Magnetkügelchen und Keramikkondensatoren, wird verwendet, um hochfrequentes Rauschen zu unterdrücken.
Zwischen verschiedenen Ebenen sollte eine ausreichende Kriechstrecke (größer oder gleich 2 mm) eingehalten werden, um einen Hochspannungsdurchschlag auf der Leiterplattenoberfläche zu vermeiden.

3. Optimierung des Layouts und der Wärmeableitung
In der Nähe des Steckereingangs anordnen: Reduzieren Sie die parasitäre Induktivität der Verkabelung. Bei jeder Erhöhung der Induktivität um 1 nH wird bei hohen di/dt-Spannungsspitzen ein zusätzlicher Spannungsabfall erzeugt;
Schutzerde für großflächige Kupferverbindungen (PGND): Es wird eine Verdrahtungsbreite von mindestens 20 mil empfohlen, um zu verhindern, dass Stoßströme durch die digitale Erdungsebene fließen.
Wärmeableitungsdesign: Eine Wärmeableitung über ein Array sollte unterhalb von Hochleistungs-TVS (z. B. SMC, DO-201-Gehäuse) hinzugefügt werden und bei Bedarf sollte wärmeleitendes Silikonfett verwendet werden.