Как диодите помагат за стабилизиране на напрежението в медицинско оборудване?

一, Основният принцип на диодния регулатор на напрежението: контролируемост на обратната област на разрушаване
Ценеровият диод е PN преходно устройство, произведено чрез специален процес, като неговата основна характеристика е постоянното напрежение в областта на обратния пробив. За разлика от обикновените диоди, когато обратното напрежение достигне критичната стойност (напрежение на пробив), токът на диод регулатор на напрежение рязко се увеличава, но напрежението в двата края остава основно непроменено. Тази характеристика го прави идеален компонент за регулатор на напрежение.

1. Анализ на физическите механизми
Разрушаване на PN прехода: Когато обратното напрежение надвиши напрежението на пробив, силата на електрическото поле вътре в PN прехода е достатъчна, за да позволи на носителите на заряд (електрони и дупки) да получат достатъчно енергия, причинявайки йонизация при сблъсък и образувайки голям брой носители на заряд, което води до внезапно увеличение на тока.
Контролируема повреда: Чрез допинг на материала и структурен дизайн повредата на диод на регулатор на напрежението е обратима. Докато токът не надвишава номиналната стойност, устройството може да възстанови първоначалните си характеристики след премахване на обратното напрежение.
Диапазон на регулиране на напрежението: Стойността на регулиране на напрежението (Vz) на диод за регулатор на напрежение обикновено е между 2,4 V и 200 V, покривайки различни нива на напрежение, изисквани от медицинско оборудване.
2. Схема на регулатора на напрежението
Ценеровите диоди обикновено се използват последователно с токоограничаващи резистори, за да образуват паралелна верига за регулатор на напрежението. Принципът му на работа е следният:

Когато напрежението се увеличи: Ако входното напрежение (Usr) се увеличи, напрежението на товара (Usc) също се увеличава. Диодът на регулатора на напрежението претърпява обратна повреда, причинявайки рязко увеличение на тока и увеличаване на спада на напрежението през резистора за ограничаване на тока, като по този начин компенсира нарастването на Usr и поддържа стабилността на Usc.
Когато напрежението намалява: ако Usr намалява, Usc намалява, токът на диода на регулатора на напрежението намалява, спадът на напрежението на резистора за ограничаване на тока намалява, компенсирайки намаляването на Usr и поддържайки Usc стабилност.
Когато натоварването се промени: ако токът на натоварване се увеличи, спадът на напрежението на резистора за ограничаване на тока се увеличава и Usc намалява. Токът на диода на регулатора на напрежението намалява, спадът на напрежението на резистора за ограничаване на тока намалява и Usc остава стабилен.
Основни параметри: Колкото по-малко е динамичното съпротивление (Rz), толкова по-голямо е съпротивлението за ограничаване на тока (R) и толкова по-висока е стабилността на изходното напрежение. Например, в електрокардиограф, използването на 2CW52 диод за регулатор на напрежението (Vz=6.2V) в комбинация с резистор за ограничаване на тока от 100 Ω може да компресира диапазона на флуктуация на входното напрежение от ± 20% до ± 1%, гарантирайки точността на получаване на сигнала.

2, Типични сценарии за приложение в медицинско оборудване
1. Преносими медицински устройства: баланс между ниска консумация на енергия и висока надеждност
В устройства като измерватели на кръвна захар и преносими ултразвукови сонди, диодите на Шотки (като BAT54S) се превърнаха в предпочитан избор за анти-обратна връзка и стабилизиране на напрежението поради ниското им падане на напрежението (0,15-0,45 V) и характеристиките на бързо превключване. Например:

Защита срещу обратна връзка: Свържете диод на Шотки паралелно към терминала за захранване. Когато полярността на захранването е обърната, диодът ще се обърне и ще се изключи, блокирайки пътя на тока и предотвратявайки изгарянето на вътрешната верига.
Избор на захранващ път: В захранваща система с две батерии, главният и резервният източник на захранване се превключват автоматично чрез диоди, за да се осигури непрекъснато захранване. Например, определен модел преносим монитор приема двойна BAT54S паралелна връзка, за да постигне дизайн за резервиране на мощността, който все още може да поддържа работа в случай на повреда на една батерия.
2. Медицинско оборудване с висока мощност: устойчивост на удар и оптимизиране на стабилността
При устройства като дефибрилатори и високо{0}}честотни електрически ножове е необходимо да се справят с преходни високи токови удари. В този момент диодите с бързо възстановяване (FRD) и диодите от силициев карбид (SiC) стават ключови компоненти:

Верига за зареждане на дефибрилатора: използва се модул MBR30200PT Schottky (30A/200V) с време за обратно възстановяване (trr) по-малко от 5ns, което може да предотврати пикове на напрежението, причинени от забавяне на диодния превключвател по време на зареждане и да предпази кондензаторите с високо-напрежение от пробив при пренапрежение.
Високочестотен изходен етап с електрически нож: използвайки C6D10065A SiC диод на Шотки (100 A/650 V), неговите характеристики с нисък спад на напрежението (1,5 V) и устойчивост на висока температура (175 градуса температура на свързване) гарантират, че собствената консумация на енергия на диода е намалена с 60% по време на 1MHz високо{8}}честотно рязане, като същевременно се избягва влошаване на производителността, причинено от прегряване.
3. Прецизни медицински инструменти: цялост на сигнала и дизайн против-смущения
В устройства като електрокардиографи и електроенцефалографи, придобиването на слаби биоелектрични сигнали изисква строго потискане на шума. В този момент съвместният дизайн на фотодиоди и защитни диоди става решаващ:

Оптоелектронна изолация на свързване: Във входния сигнален канал се използва оптрон 6N137 за постигане на електрическа изолация и блокиране на смущения в общ режим чрез фотоелектрично преобразуване на диоди. Например, определен модел електроенцефалограф увеличава входния импеданс до 10M Ω чрез фотоелектрическо свързване, а коефициентът на отхвърляне на общ режим (CMRR) достига 120dB.
ESD защита: В интерфейса на сензора, паралелен ESD5D150TA Шотки диод с нисък ток на утечка (<0.1 μ A) and high reverse withstand voltage (150V) can effectively discharge the transient current generated by electrostatic discharge (ESD) and prevent sensor damage.
3, Иновативно решение за стабилизиране на напрежението: Съвместно проектиране на диоди и други компоненти
1. Композитна схема за защита: диод+TVS диод
В модула за предаване на изображение на медицински ендоскопи е приета композитна защитна схема от "диод на Шотки + TVS диод", за да се предотврати преходно пренапрежение, причинено от удари на мълния или статично електричество:

Шотки диод: паралелно свързан към клемата за захранване, осигуряващ ежедневна защита срещу обратен ход.
TVS диод: последователно свързан към сигналната линия, неговото ултра бързо време за реакция (<1ps) and low clamping voltage (such as SMAJ5.0A's clamping voltage of 7.8V) can limit overvoltage within a safe range in nanoseconds, protecting the downstream ADC chip from damage.
2. Защита за самовъзстановяване: диод + PTC термистор
Във веригата за зареждане на носими медицински устройства (като интелигентни гривни) е възприета схема за самовъзстановяваща се защита на "диод на Шотки + PTC термистор":

Диод на Шотки: предотвратява обратното свързване на батерията, като същевременно използва своите характеристики за ниско напрежение, за да намали загубите при зареждане.
PTC термистор: последователно свързан към пътя на зареждане, когато токът надвиши прага, стойността на съпротивлението на PTC рязко се увеличава, ограничавайки тока; След отстраняване на неизправности, PTC автоматично се връща в състояние на ниско съпротивление без необходимост от подмяна на компоненти.
3. Идеално диодно решение: интеграция и интелигентност
С популярността на широколентовите материали интегрираните идеални диоди (като LM66100DCK) се превърнаха в предпочитан избор за медицинско оборудване от висок{1}}клас. Принципът му на работа е следният:

Захранване на захранващ адаптер: Изключете изхода TYPE-C чрез вътрешно прекъсване на PMOS.
Захранване TYPE-C: Изходно напрежение от 5 V чрез вътрешна PMOS проводимост.
Захранван от батерия: Когато и точка A, и точка C имат потенциал от 0 V, вътрешният PMOS провежда и батерията захранва товара.
Това решение има предимствата на цялостна защита, ниско намаляване на налягането, ниско вътрешно съпротивление и ниско генериране на топлина и се използва широко в преносимо ултразвуково, ендоскопско и друго оборудване.