Como os diodos evitam picos de corrente em monitores de sinais vitais?

一, Risco atual de surto em dispositivos de monitoramento de sinais vitais
Os módulos principais do dispositivo de monitoramento de sinais vitais incluem sensores fotoelétricos, circuitos de aquisição de potencial bioelétrico e unidades de gerenciamento de energia. O atual risco de aumento provém principalmente dos seguintes cenários:

Terminal de entrada de energia: Durante a operação das ondas da rede elétrica ou durante o carregamento e descarregamento da bateria, picos de tensão transitórios podem exceder o valor de tensão suportável do equipamento, levando à falha do circuito.
Interface do sensor: Fotodiodos (sensores PPG) são suscetíveis a interferência de luz ambiental ou descarga eletrostática ao receber sinais de luz refletida, causando sobrecarga de sinal.
Aquisição de potencial bioelétrico: Quando os eletrodos de ECG entram em contato com a pele, alta voltagem transitória pode ser gerada por eletricidade estática humana ou interferência eletromiográfica, o que pode danificar o pré-amplificador.
Fonte de alimentação de comutação de alta frequência: Conversores CC internos-CC podem causar oscilação de tensão e interferência eletromagnética (EMI) devido às características deficientes de recuperação reversa do diodo durante a comutação.
2, O princípio técnico central do diodo para evitar surtos de corrente
1. Supressão de tensão transitória (TVS): uma "válvula de segurança" com resposta em nível de nanossegundos
Os diodos TVS conduzem rapidamente quando a tensão excede a tensão de ruptura (Vbr) através de características não lineares de volt-ampere, limitando a sobretensão a uma faixa segura. Seu tempo de resposta é tão baixo quanto 1ps, o que pode absorver efetivamente energia transitória, como quedas de raios e ESD. Por exemplo, no circuito driver de LED de um oxímetro de pulso, um diodo TVS bidirecional (como SMAJ5.0A) pode suprimir simultaneamente picos de tensão positivos e negativos, protegendo o fotodiodo de choques eletrostáticos.

2. Otimização do recurso de recuperação reversa: elimine o ruído do switch
Os diodos de recuperação rápida (FRDs) e os diodos Schottky reduzem o toque de tensão em fontes de alimentação chaveadas de alta-frequência, encurtando o tempo de recuperação reversa (TRR). Por exemplo, no conversor DC-DC do circuito de aquisição de ECG, o diodo 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. Proteção de limitação de corrente: partida suave e gerenciamento térmico
Conecte um termistor NTC em série com o terminal de entrada de energia e use seu alto valor de resistência ao frio (como 5 Ω para o modelo 5D-9 a 25 graus) para limitar a corrente de surto quando ligado. Depois que a corrente aquece, o valor da resistência cai para<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. Fixação e estabilização de tensão: protegendo circuitos sensíveis
Os diodos Zener fornecem uma tensão de referência estável para amplificadores de potencial bioelétrico através da constância de tensão na região de ruptura reversa. Por exemplo, a série de chips AD8233 integra internamente um diodo regulador de tensão, que pode comprimir a faixa de flutuação da tensão de entrada do circuito de amplificação do sinal de ECG de ± 20% a ± 1%, garantindo a precisão da detecção da frequência cardíaca.

3, Cenários e soluções de aplicação típicas
1. Proteção do sensor de fotopletismografia (PPG)
No oxímetro, o LED vermelho (660nm) e o LED infravermelho (940nm) emitem luz alternadamente, e o fotodiodo recebe a luz refletida e a converte em sinal elétrico. Para evitar o impacto de ESD, um diodo TVS bidirecional (como P6SMB15CA) deve ser conectado em paralelo na interface do sensor, com tensão de fixação de 15V, que pode absorver ± 8kV de energia de descarga eletrostática. Ao mesmo tempo, os diodos Schottky (como BAT54S) são conectados em série no circuito de acionamento do LED para reduzir o consumo de energia, utilizando sua baixa queda de tensão direta (0,15 V) e evitar a degradação da vida útil do LED causada por corrente excessiva.

2. Proteção do circuito de aquisição de potencial bioelétrico de ECG
Quando os eletrodos de ECG entram em contato com a pele, a eletricidade estática humana pode gerar milhares de volts de voltagem transitória. Ao colocar diodos TVS em paralelo (como SMAJ12CA) na entrada do eletrodo, a tensão pode ser fixada abaixo de 12V, protegendo o pré-amplificador (como AD8221) contra danos. Além disso, uma combinação de circuito retificador de ponte + termistor NTC é usada na extremidade de entrada de energia para suprimir a corrente de surto causada pela flutuação da onda da rede elétrica e garantir a estabilidade da aquisição do sinal de ECG.

3. Gerenciamento de energia de dispositivos portáteis
Em monitores portáteis, como pulseiras inteligentes, o circuito de carga e descarga da bateria precisa lidar com picos transitórios de alta corrente. Ao usar diodos SiC Schottky (como C6D10065A) em vez de diodos de silício tradicionais, o tempo de recuperação reversa é próximo de zero, o que pode reduzir as perdas de comutação em 60% e suportar correntes transitórias de 100A, evitando danos ao hardware causados ​​por sobrecarga da bateria ou curto-circuitos. Além disso, um diodo de proteção ESD (como ESD5D150TA) é integrado na interface de carregamento USB para descarregar eletricidade estática de ± 15kV e proteger o chip de carregamento interno.