Làm thế nào để ngăn chặn sét đánh và đột biến điện áp điốt TVS trong thiết bị y tế?

一, Nguy cơ sét đánh và dâng cao đối với thiết bị y tế
Sét đánh đe dọa thiết bị y tế theo hai cách:

Sét đánh trực tiếp: Sét đánh vào các tòa nhà hoặc vỏ thiết bị, làm tăng điện thế đất đột ngột, tạo ra chênh lệch điện thế và làm hỏng lớp cách điện của thiết bị;
Sét đánh cảm ứng: Các xung điện từ của sét xâm nhập vào thiết bị thông qua đường dây điện, đường tín hiệu hoặc khớp nối không gian, tạo ra các xung điện áp cao nhất thời và làm hỏng các linh kiện điện tử nhạy cảm.
Thiết bị y tế cực kỳ nhạy cảm với sự dao động điện áp. Ví dụ: ống tia X-của máy quét CT yêu cầu điện áp cao DC ổn định, trong khi mạch thu tín hiệu của máy điện tâm đồ phụ thuộc vào nguồn điện DC có độ ồn thấp. Quá điện áp thoáng qua có thể gây ra lỗi thiết bị, mất dữ liệu và thậm chí là các thảm họa thứ cấp như hỏa hoạn. Theo thống kê, 80% các trường hợp hư hỏng thiết bị y tế do sét đánh trên toàn thế giới mỗi năm có liên quan đến sự đột biến xâm nhập vào đường dây điện hoặc tín hiệu.

2, Nguyên lý kỹ thuật và ưu điểm cốt lõi của điốt TVS
Diode TVS là một thiết bị bán dẫn dựa trên hiệu ứng đánh thủng tiếp giáp PN và chức năng cốt lõi của nó là:

Phản ứng nhất thời: Khi điện áp vượt quá điện áp đánh thủng (VBR), TVS sẽ chuyển từ trạng thái điện trở cao sang trạng thái điện trở thấp trong vòng 1 nano giây, tạo thành đường dẫn điện;
Kẹp chính xác: Dưới tác dụng của dòng xung đỉnh (IPP), kẹp điện áp ở mức điện áp kẹp tối đa (Vc) để đảm bảo điện áp của mạch tiếp theo nằm dưới ngưỡng an toàn;
Tự động phục hồi: Sau khi xung biến mất, TVS sẽ tự động trở về trạng thái trở kháng cao mà không cần can thiệp thủ công và có thể được tái sử dụng.
So với các thiết bị bảo vệ truyền thống như MOV và GDT, TVS có những ưu điểm sau:

Tốc độ phản hồi cực nhanh: MOV yêu cầu tích lũy nhiệt để tiến hành, GDT yêu cầu thời gian ion hóa khí và thời gian phản hồi TVS đạt mức pico giây;
Điện áp kẹp thấp: Điện trở động của TVS có thể thấp tới 0,1 Ω và điện áp dư (Vc) thấp hơn đáng kể so với MOV;
Kích thước nhỏ gọn: TVS gắn trên bề mặt (như dòng SMAJ) có thể tích chỉ 0,1 phân khối, phù hợp với các thiết bị y tế nhỏ gọn;
Tuổi thọ dài: Nó có thể chịu được hàng trăm lần va chạm đột ngột, trong khi MOV bị suy giảm hiệu suất đáng kể sau nhiều lần va chạm.
3, Ứng dụng điển hình của điốt TVS trong thiết bị y tế
1. Bảo vệ mô-đun nguồn
Mô-đun nguồn của thiết bị y tế cần chuyển đổi nguồn điện lưới (220V/50Hz) thành điện áp DC ổn định. Diode TVS chuyển đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều xung thông qua mạch chỉnh lưu cầu và tụ lọc, sau đó tạo ra điện áp ổn định sau khi được TVS kẹp. Ví dụ: mô-đun nguồn của một máy chạy thận nhân tạo nào đó sử dụng bốn điốt chỉnh lưu silicon 1N5408 để tạo thành mạch chỉnh lưu và được kết nối song song với SMAJ5.0CA TVS (Vc=6.5V) để bảo vệ bộ chuyển đổi DC/DC phía sau. Khi sét đánh khiến điện áp đầu vào tăng đột ngột lên 300V, TVS sẽ dẫn điện trong vòng 10ns, kẹp điện áp ở mức 6,5V để tránh làm hỏng bộ chuyển đổi.

2. Bảo vệ đường tín hiệu
Các đường tín hiệu của thiết bị y tế, chẳng hạn như đường thu tín hiệu điện tâm đồ của máy điện tâm đồ và đường tín hiệu đầu dò của thiết bị chẩn đoán siêu âm, rất nhạy cảm với nhiễu. Điốt TVS được thiết kế với điện dung thấp (chẳng hạn như điện dung tiếp giáp LCESeries chỉ 0,5pF) để triệt tiêu các xung điện đồng thời giảm méo tín hiệu. Ví dụ: máy điện tâm đồ 12 đạo trình sử dụng điốt giới hạn loại BAS70-04 (Vc=7V) để bảo vệ đầu vào của tín hiệu điện tâm đồ. Khi điện áp tín hiệu vượt quá ± 7V, TVS sẽ dẫn điện, giới hạn điện áp trong phạm vi an toàn và đảm bảo rằng tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) của dạng sóng điện tâm đồ lớn hơn hoặc bằng 60dB.

3. Bảo vệ giao diện truyền thông
Giao diện liên lạc của thiết bị y tế, chẳng hạn như RS-485 và CAN bus, phải đáp ứng các yêu cầu về khả năng tương thích điện từ (EMC). Điốt TVS bảo vệ các đường tín hiệu vi sai thông qua cấu hình hai chiều. Ví dụ: giao diện truyền thông RS-485 của đèn không bóng trong một phòng phẫu thuật nhất định sử dụng TVS hai chiều SR05-4 (Vc=10V). Khi điện áp do sét gây ra được truyền dọc theo cặp xoắn, GDT (ống phóng khí) trước tiên sẽ tiến hành và khuếch đại dòng điện, đồng thời cạnh tăng nhanh còn lại sẽ được TVS thu giữ và kẹp ở mức dưới 10V trong vòng 1ns để đảm bảo liên lạc không bị gián đoạn.

4, Lựa chọn và thiết kế điểm điốt TVS
1. Lựa chọn các thông số chính
Điện áp cắt ngược (VRMM): Nó phải cao hơn một chút so với điện áp hoạt động bình thường của mạch được bảo vệ. Ví dụ: mạch cấp nguồn 12V nên chọn TVS có VRMM=14V;
Điện áp đánh thủng (VBR): thường gấp 1,1-1,2 lần VRMM, đảm bảo không hoạt động sai khi điện áp dao động bình thường;
Điện áp kẹp tối đa (Vc): phải thấp hơn điện áp chịu đựng tối đa tuyệt đối của mạch tiếp theo. Ví dụ: Điện áp chịu được cổng IO của MCU 3,3V là 5,5V và Vc của TVS phải nhỏ hơn hoặc bằng 4,5V;
Dòng xung đỉnh (IPP): Cần được lựa chọn theo tiêu chuẩn kiểm tra đột biến (chẳng hạn như IEC 61000-4-5 Cấp 4). Ví dụ: khi thử nghiệm đột biến điện áp ± 4kV, cần phải chọn TVS có IPP Lớn hơn hoặc bằng 1500W;
Điện dung tiếp giáp (Cj): Nên chọn TVS điện dung thấp (chẳng hạn như điện dung tiếp giáp SACSeries Nhỏ hơn hoặc bằng 0,3pF) cho các đường tín hiệu tốc độ-cao để tránh méo tín hiệu.
2. Thiết kế bảo vệ đa cấp
Thiết bị y tế thường áp dụng-sơ đồ bảo vệ ba cấp độ "GDT+TVS+lọc":

Cấp độ thứ nhất (GDT): chịu trách nhiệm giải phóng hơn 90% năng lượng, có khả năng chịu áp suất cao và dòng điện lớn nhưng phản ứng chậm;
Cấp độ 2 (TVS): Phản ứng nhanh với xung dư, kẹp chính xác đến phạm vi chấp nhận được của IC;
Cấp độ thứ ba (lọc): Bộ lọc loại π - bao gồm các hạt từ tính và tụ gốm được sử dụng để triệt tiêu nhiễu tần số-cao.
Cần duy trì khoảng cách đường rò thích hợp (Lớn hơn hoặc bằng 2 mm) giữa các mức khác nhau để tránh đánh thủng điện áp cao trên bề mặt PCB.

3. Tối ưu hóa bố cục và tản nhiệt
Bố trí gần lối vào đầu nối: giảm độ tự cảm ký sinh của hệ thống dây điện. Với mỗi mức tăng điện cảm 1nH, điện áp sụt giảm sẽ được tạo ra khi các xung di/dt cao;
Mặt đất bảo vệ kết nối đồng diện tích lớn (PGND): Nên có chiều rộng dây Lớn hơn hoặc bằng 20mil để tránh dòng điện đột biến đi qua mặt đất kỹ thuật số;
Thiết kế tản nhiệt: Nên bổ sung thêm tản nhiệt qua mảng dưới TVS công suất-cao (chẳng hạn như bao bì SMC, DO-201) và nên sử dụng mỡ silicon dẫn nhiệt nếu cần.