Como prevenir quedas de raios e surtos em diodos TVS em equipamentos médicos?

一, A ameaça de quedas de raios e surtos em equipamentos médicos
Os relâmpagos ameaçam os equipamentos médicos de duas maneiras:

Raio direto: O raio atinge edifícios ou gabinetes de equipamentos, causando um aumento repentino no potencial de aterramento, criando uma diferença de potencial e danificando o isolamento do equipamento;
Raio induzido: Pulsos eletromagnéticos de raios invadem equipamentos através de linhas de energia, linhas de sinal ou acoplamento espacial, gerando picos transitórios de alta tensão e danificando componentes eletrônicos sensíveis.
O equipamento médico é extremamente sensível às flutuações de tensão. Por exemplo, o tubo de raios X-de um tomógrafo computadorizado requer alta tensão CC estável, enquanto o circuito de aquisição de sinal de um eletrocardiógrafo depende de uma fonte de alimentação CC de baixo-ruído. A sobretensão transitória pode causar falhas no equipamento, perda de dados e até desastres secundários, como incêndios. De acordo com as estatísticas, 80% dos casos de danos em equipamentos médicos causados ​​por raios em todo o mundo a cada ano estão relacionados à intrusão de surtos em linhas de energia ou de sinal.

2, O princípio técnico e as principais vantagens dos diodos TVS
O diodo TVS é um dispositivo semicondutor baseado no efeito de quebra de avalanche da junção PN e sua função principal é:

Resposta transitória: Quando a tensão excede a tensão de ruptura (VBR), o TVS transita de um estado de alta resistência para um estado de baixa resistência dentro de 1 nanossegundo, formando um caminho condutor;
Fixação precisa: Sob a ação da corrente de pulso de pico (IPP), fixe a tensão na tensão máxima de fixação (Vc) para garantir que a tensão do circuito subsequente esteja abaixo do limite de segurança;
Recuperação automática: Após o desaparecimento do surto, o TVS retorna automaticamente a um estado de alta impedância sem intervenção manual e pode ser reutilizado.
Comparado aos dispositivos de proteção tradicionais, como MOV e GDT, o TVS apresenta as seguintes vantagens:

Velocidade de resposta extremamente rápida: o MOV requer acumulação térmica para conduzir, o GDT requer tempo de ionização de gás e o tempo de resposta do TVS atinge o nível de picossegundos;
Baixa tensão de fixação: A resistência dinâmica do TVS pode ser tão baixa quanto 0,1 Ω e a tensão residual (Vc) é significativamente menor que a do MOV;
Tamanho compacto: TVS de montagem em superfície (como a série SMAJ) tem um volume de apenas 0,1 centímetros cúbicos, adequado para dispositivos médicos compactos;
Longa vida útil: ele pode suportar centenas de impactos de sobretensão, enquanto os MOVs sofrem degradação significativa de desempenho após múltiplos impactos.
3, Aplicações típicas de diodos TVS em equipamentos médicos
1. Proteção do módulo de potência
O módulo de energia do equipamento médico precisa converter a energia da rede elétrica (220V/50Hz) em uma tensão CC estável. O diodo TVS converte energia CA em energia CC pulsante através de um circuito retificador de ponte e um capacitor de filtragem e, em seguida, emite uma tensão suave após ser fixada pelo TVS. Por exemplo, o módulo de potência de uma determinada máquina de hemodiálise usa quatro diodos retificadores de silício 1N5408 para formar um circuito retificador e é conectado em paralelo com TVS SMAJ5.0CA (Vc=6.5V) para proteger o conversor CC/CC traseiro. Quando a queda de um raio faz com que a tensão de entrada aumente repentinamente para 300 V, o TVS conduz dentro de 10 ns, fixando a tensão em 6,5 V para evitar danos ao conversor.

2. Proteção da linha de sinal
As linhas de sinal de equipamentos médicos, como a linha de aquisição de sinal de eletrocardiograma de um eletrocardiógrafo e a linha de sinal de sonda de um dispositivo de diagnóstico de ultrassom, são sensíveis ao ruído. Os diodos TVS são projetados com baixa capacitância (como a capacitância de junção da série LCES de apenas 0,5pF) para suprimir surtos e, ao mesmo tempo, reduzir a distorção do sinal. Por exemplo, uma máquina de eletrocardiograma de 12 derivações usa diodo limitador do tipo BAS70-04 (Vc=7V) para proteger a extremidade de entrada do sinal do eletrocardiograma. Quando a tensão do sinal excede ± 7 V, o TVS conduz, limitando a tensão dentro de uma faixa segura e garantindo que a relação sinal-ruído (SNR) da forma de onda do eletrocardiograma seja maior ou igual a 60dB.

3. Proteção da interface de comunicação
As interfaces de comunicação de equipamentos médicos, como RS-485 e barramento CAN, devem atender aos requisitos de compatibilidade eletromagnética (EMC). Os diodos TVS protegem as linhas de sinal diferencial por meio de configuração bidirecional. Por exemplo, a interface de comunicação RS-485 de uma luz sem sombras em uma determinada sala de operação usa TVS bidirecionais SR05-4 (Vc=10V). Quando a tensão induzida pelo raio é transmitida ao longo do par trançado, o GDT (tubo de descarga de gás) primeiro conduz e amplifica a corrente, e a borda de subida rápida residual é capturada e fixada abaixo de 10V pelo TVS dentro de 1ns para garantir comunicação ininterrupta.

4, Seleção e pontos de projeto de diodos TVS
1. Seleção de parâmetros-chave
Tensão de corte reversa (VRMM): Deve ser ligeiramente superior à tensão normal de operação do circuito protegido. Por exemplo, um circuito de alimentação de 12V deve escolher um TVS com VRMM=14V;
Tensão de ruptura (VBR): geralmente 1,1-1,2 vezes a do VRMM, garantindo nenhuma operação incorreta durante flutuações normais de tensão;
Tensão máxima de fixação (Vc): deve ser inferior à tensão suportável máxima absoluta do circuito subsequente. Por exemplo, a tensão suportável da porta IO de um MCU de 3,3 V é 5,5 V e o Vc de um TVS deve ser menor ou igual a 4,5 V;
Corrente de pulso de pico (IPP): Precisa ser selecionada de acordo com os padrões de teste de surto (como IEC 61000-4-5 Nível 4). Por exemplo, diante de testes de surto de ± 4kV, um TVS com IPP maior ou igual a 1500W precisa ser selecionado;
Capacitância de junção (Cj): TVS de baixa capacitância (como capacitância de junção SACSérie menor ou igual a 0,3pF) devem ser selecionados para linhas de sinal de alta-velocidade para evitar distorção do sinal.
2. Projeto de proteção multinível
Os equipamentos médicos geralmente adotam um esquema de proteção de três{0}}níveis de "GDT+TVS+filtragem":

Primeiro nível (GDT): responsável por mais de 90% da liberação de energia, com alta resistência à pressão e grande fluxo de corrente, mas resposta lenta;
Nível 2 (TVS): Resposta rápida a picos residuais, fixação precisa na faixa aceitável do IC;
Terceiro nível (filtragem): Um filtro do tipo π - composto de esferas magnéticas e capacitores cerâmicos é usado para suprimir ruídos de alta-frequência.
A distância de fuga adequada (maior ou igual a 2 mm) deve ser mantida entre os diferentes níveis para evitar quebra de alta-tensão na superfície da PCB.

3. Otimização de layout e dissipação de calor
Disponha próximo à entrada do conector: reduza a indutância parasita da fiação. Para cada aumento de 1nH na indutância, será gerada uma queda de tensão adicional sob altos surtos de di/dt;
Aterramento de proteção de conexão de cobre de grande área (PGND): Recomenda-se ter uma largura de fiação maior ou igual a 20mil para evitar surtos de corrente que passam pelo plano de aterramento digital;
Projeto de dissipação de calor: uma dissipação de calor via matriz deve ser adicionada abaixo de TVS de alta-potência (como SMC, embalagem DO-201) e graxa de silicone condutora térmica deve ser usada, se necessário.