Bagaimana dioda mencegah lonjakan arus pada monitor tanda vital?

一, Risiko lonjakan saat ini pada perangkat pemantauan tanda vital
Modul inti perangkat pemantauan tanda vital mencakup sensor fotolistrik, sirkuit akuisisi potensi bioelektrik, dan unit manajemen daya. Risiko lonjakan saat ini terutama berasal dari skenario berikut:

Terminal masukan daya: Selama pengoperasian gelombang listrik atau pengisian dan pengosongan baterai, lonjakan tegangan transien dapat melebihi nilai tegangan ketahanan peralatan, yang menyebabkan kerusakan sirkuit.
Antarmuka sensor: Fotodioda (sensor PPG) rentan terhadap gangguan cahaya lingkungan atau pelepasan muatan listrik statis saat menerima sinyal cahaya yang dipantulkan, sehingga menyebabkan kelebihan sinyal.
Akuisisi potensi bioelektrik: Ketika elektroda EKG bersentuhan dengan kulit, tegangan tinggi sementara dapat dihasilkan oleh listrik statis manusia atau gangguan elektromiografi, yang dapat merusak preamplifier.
Catu daya peralihan frekuensi tinggi: Konverter DC-DC internal dapat menyebabkan dering tegangan dan interferensi elektromagnetik (EMI) karena karakteristik pemulihan balik dioda yang buruk selama peralihan.
2, Prinsip teknis inti dioda untuk mencegah lonjakan arus
1. Penekanan Tegangan Transien (TVS): Sebuah "katup pengaman" dengan respons tingkat nanodetik
Dioda TVS bekerja dengan cepat ketika tegangan melebihi tegangan rusaknya (Vbr) melalui karakteristik volt ampere nonlinier, sehingga tegangan berlebih diatur ke kisaran yang aman. Waktu responsnya serendah 1ps, yang secara efektif dapat menyerap energi sementara seperti sambaran petir dan ESD. Misalnya, dalam rangkaian driver LED oksimeter pulsa, dioda TVS dua arah (seperti SMAJ5.0A) secara bersamaan dapat menekan lonjakan tegangan positif dan negatif, melindungi fotodioda dari sengatan listrik statis.

2. Optimalisasi fitur pemulihan terbalik: menghilangkan kebisingan sakelar
Dioda pemulihan cepat (FRD) dan dioda Schottky mengurangi dering tegangan pada catu daya peralihan frekuensi tinggi dengan memperpendek waktu pemulihan terbalik (TRR). Misalnya, dalam konverter DC-DC rangkaian akuisisi EKG, dioda Schottky 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. Perlindungan pembatas arus: soft start dan manajemen termal
Hubungkan termistor NTC secara seri dengan terminal masukan daya, dan gunakan nilai resistansi dinginnya yang tinggi (seperti 5 Ω untuk model 5D-9 pada 25 derajat ) untuk membatasi arus lonjakan saat dihidupkan. Setelah arus memanas, nilai resistansi turun menjadi<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. Penjepitan dan stabilisasi tegangan: melindungi sirkuit sensitif
Dioda zener memberikan tegangan referensi yang stabil untuk penguat potensial bioelektrik melalui keteguhan tegangan di daerah kerusakan terbalik. Misalnya, seri chip AD8233 mengintegrasikan dioda pengatur tegangan secara internal, yang dapat memampatkan rentang fluktuasi tegangan masukan rangkaian amplifikasi sinyal EKG dari ± 20% hingga ± 1%, sehingga memastikan keakuratan deteksi detak jantung.

3, Skenario dan solusi aplikasi yang umum
1. Perlindungan sensor photoplethysmography (PPG).
Dalam oksimeter, LED merah (660nm) dan LED inframerah (940nm) memancarkan cahaya secara bergantian, dan fotodioda menerima cahaya yang dipantulkan dan mengubahnya menjadi sinyal listrik. Untuk mencegah dampak ESD, dioda TVS dua arah (seperti P6SMB15CA) harus dihubungkan secara paralel pada antarmuka sensor, dengan tegangan penjepit 15V, yang dapat menyerap energi pelepasan elektrostatik ± 8kV. Pada saat yang sama, dioda Schottky (seperti BAT54S) dihubungkan secara seri di sirkuit penggerak LED untuk mengurangi konsumsi daya dengan memanfaatkan penurunan tegangan maju yang rendah (0,15V) dan menghindari penurunan umur LED yang disebabkan oleh arus yang berlebihan.

2. Perlindungan rangkaian akuisisi potensi bioelektrik EKG
Ketika elektroda EKG bersentuhan dengan kulit, listrik statis manusia dapat menghasilkan tegangan transien ribuan volt. Dengan memparalelkan dioda TVS (seperti SMAJ12CA) pada input elektroda, tegangan dapat ditekan hingga di bawah 12V, melindungi preamplifier (seperti AD8221) dari kerusakan. Selain itu, rangkaian penyearah jembatan+kombinasi termistor NTC digunakan pada ujung input daya untuk menekan lonjakan arus yang disebabkan oleh fluktuasi gelombang listrik dan memastikan stabilitas perolehan sinyal EKG.

3. Manajemen daya perangkat portabel
Pada monitor portabel seperti gelang pintar, sirkuit pengisian dan pengosongan baterai perlu mengatasi lonjakan arus tinggi yang bersifat sementara. Dengan menggunakan dioda SiC Schottky (seperti C6D10065A) dibandingkan dioda silikon tradisional, waktu pemulihan balik mendekati nol, yang dapat mengurangi kerugian peralihan sebesar 60% dan menahan arus transien 100A, menghindari kerusakan perangkat keras yang disebabkan oleh pengisian daya baterai yang berlebihan atau korsleting. Selain itu, dioda perlindungan ESD (seperti ESD5D150TA) terintegrasi pada antarmuka pengisian daya USB untuk melepaskan listrik statis ± 15kV dan melindungi chip pengisian daya internal.