Como usar diodos na proteção de isolamento de energia médica?

一, O princípio básico da proteção de isolamento é bloquear caminhos elétricos e suprimir a propagação de interferência
O principal objetivo do isolamento de energia médica é cortar a conexão elétrica direta entre o circuito do paciente e a rede elétrica, evitando que a corrente de fuga passe pelo corpo humano e forme microchoques elétricos (valor permitido menor ou igual a 10 μ A). O diodo atinge proteção de isolamento através do seguinte mecanismo:

Corrente reversa de bloqueio de condutividade unidirecional: No projeto de fonte de alimentação isolada, os diodos são combinados com componentes como transformadores e optoacopladores para formar um caminho de corrente unidirecional. Por exemplo, em um conversor flyback, o diodo de saída permite apenas que a corrente flua do secundário do transformador para a carga, bloqueando a corrente reversa e evitando que falhas no lado da rede afetem o circuito do paciente.
Sobretensão transitória de supressão de tensão de fixação: Os diodos de supressão de tensão transitória (TVS) podem responder a eventos de sobretensão em nanossegundos e fixar a tensão a um nível seguro. Na extremidade de entrada de energia do equipamento médico, os diodos TVS podem absorver interferências como descargas atmosféricas e transientes elétricos rápidos (EFT), protegendo o circuito a jusante de choques de alta tensão.
Isolamento optoeletrônico para transmissão de sinal: o diodo-emissor de luz e o fotodiodo no optoacoplador transmitem sinais elétricos por meio de sinais ópticos, isolando completamente as conexões elétricas entre os terminais de entrada e saída. Por exemplo, em uma máquina de eletrocardiograma isolada, o optoacoplador converte o sinal elétrico de superfície do paciente em um sinal óptico, que é então restaurado em um sinal elétrico para eliminar a interferência de terra.
2, Cenário de aplicação típico: Cobertura completa da cena, desde salas de cirurgia até dispositivos portáteis
1. Sistema de fonte de alimentação de isolamento para sala de cirurgia
Instalações médicas de classe II, como salas de cirurgia, devem adotar sistemas de TI (modo de alimentação não aterrada) e construir uma rede de alimentação segura por meio de transformadores de isolamento, dispositivos de monitoramento de isolamento e terminais de alarme. O diodo desempenha um papel duplo neste sistema:

Isolamento do conversor Flyback: em um conversor CC/CC isolado, diodos e transformadores trabalham juntos para obter isolamento de entrada-saída. Por exemplo, o chip Lingli Te LT8300 infere a tensão de saída detectando a tensão do terminal principal do transformador e pode obter feedback de isolamento sem a necessidade de optoacopladores, simplificando o projeto e melhorando a confiabilidade.
Proteção contra falha de isolamento: Quando ocorre uma falha de isolamento de aterramento no lado secundário do transformador de isolamento, o circuito de fixação do diodo limita a corrente de fuga ao nível de microamperes para evitar o risco de choque elétrico ao paciente. Ao mesmo tempo, o dispositivo de monitoramento de isolamento aciona um alarme monitorando alterações na resistência de isolamento, garantindo a segurança cirúrgica.
2. Proteção de energia para dispositivos médicos portáteis
Monitores portáteis, bombas de infusão e outros equipamentos precisam funcionar de forma estável em ambientes eletromagnéticos complexos, e os diodos fornecem proteção através dos seguintes métodos:

Proteção ESD: No caminho de aquisição do sinal de ECG, o diodo TVS SMBJ5.0CA fixa a tensão de descarga eletrostática a um nível seguro, protegendo os amplificadores de instrumentação de alta impedância de entrada contra danos. Seu tempo de resposta atinge o nível de picossegundos, o que pode efetivamente suprimir a eletricidade estática humana (± 15kV) e a eletricidade estática gerada pelo atrito do equipamento.
Proteção contra tensão reversa: No sistema de alimentação auxiliar solar fotovoltaica, os diodos evitam o fluxo reverso da corrente da rede para o painel fotovoltaico, evitando danos ao equipamento. Por exemplo, à noite ou em dias nublados, a característica de corte do diodo pode bloquear a corrente reversa, garantindo a segurança do inversor.
3. Controle de energia de equipamentos cirúrgicos-de alta frequência
Facas elétricas de alta frequência, dispositivos de terapia a laser e outros equipamentos requerem controle preciso da energia de saída, e os diodos alcançam proteção através dos seguintes mecanismos:

Roda livre do Diodo de Recuperação Rápida (FRD): Em circuitos de acionamento de motor, o FRD fornece um caminho de corrente reverso quando o relé é desligado, absorvendo a energia da força eletromotriz traseira do motor e protegendo os dispositivos de energia contra picos de tensão. Seu tempo de recuperação reversa foi reduzido para 20ns, o que é 30% mais eficiente que os diodos de silício tradicionais.
Regulação de potência do laser: Usando um diodo de recuperação rápida e MOSFET para formar um circuito de comutação, o ângulo de condução do diodo é ajustado para controlar a corrente de acionamento do diodo laser, alcançando potência de saída ajustável contínua e evitando danos por sobrecorrente ao laser.
3, Seleção de tecnologia e estratégia de otimização: equilibrando desempenho, custo e confiabilidade
1. Correspondência de parâmetros do dispositivo
Seleção do diodo TVS: Parâmetros como tensão de fixação máxima (VC), tensão de ruptura mínima (VBR) e potência de pulso de pico (PPP) precisam ser considerados. Por exemplo, em um circuito de entrada de 220 Vca, diodos TVS com Vbr maior ou igual a 600 V e PPP maior ou igual a 600 W devem ser selecionados para garantir a segurança do equipamento sob descarga atmosférica (forma de onda de 8/20 μ s).
Tensão suportável do diodo de isolamento: Em uma fonte de alimentação isolada, a tensão suportável reversa do diodo precisa ser 1,5 vezes maior que a tensão secundária do transformador. Por exemplo, em um sistema de saída de 48 V, diodos Schottky com tensão suportável reversa maior ou igual a 100 V devem ser selecionados para evitar quebra de tensão.
2. Inovação em topologia
Arquitetura de proteção multinível: adotando a proteção de três-níveis "GDT+MOV+TVS", o GDT absorve a energia de surto primário, o MOV suprime a sobretensão intermediária, o TVS fixa a tensão residual e atinge a atenuação de energia passo a passo. Por exemplo, em fontes de alimentação de máquinas de raios X médicas, essa arquitetura pode reduzir a tensão de surto de raios de 8kV para um nível seguro.
Módulo de proteção integrado: Escolha um conjunto de diodos TVS ou um módulo de proteção ESD para reduzir o espaço de layout da PCB. Por exemplo, o array TVS da série Littelfuse SP1003 pode integrar quatro proteções de sinal em um único chip, reduzindo o impacto da capacitância parasita em sinais de alta-velocidade.
3. Gerenciamento térmico e melhoria de confiabilidade
Projeto de dissipação de calor: em aplicações-de alta potência, os diodos precisam ser equipados com dissipadores de calor ou dissipadores de calor. Por exemplo, em amplificadores de gradiente de ressonância magnética médica (MRI), os diodos SiC Schottky dissipam o calor através de um substrato de cobre para garantir uma temperatura de junção abaixo de 150 graus.
Projeto redundante: Vários diodos paralelos em circuitos críticos para melhorar a tolerância a falhas do sistema. Por exemplo, no circuito de carga do capacitor de alta-tensão de um desfibrilador, dois diodos TVS são conectados em paralelo para evitar falhas no equipamento causadas por falha de ponto único.