ไดโอดป้องกันกระแสไฟกระชากในจอภาพสัญญาณชีพได้อย่างไร

ประการแรก ความเสี่ยงไฟกระชากในปัจจุบันในอุปกรณ์ตรวจสอบสัญญาณชีพ
โมดูลหลักของอุปกรณ์ตรวจสอบสัญญาณชีพประกอบด้วยโฟโตอิเล็กทริคเซนเซอร์ วงจรรับศักย์ไฟฟ้าชีวภาพ และหน่วยจัดการพลังงาน ความเสี่ยงไฟกระชากในปัจจุบันส่วนใหญ่มาจากสถานการณ์ต่อไปนี้:

ขั้วต่ออินพุตกำลังไฟ: ในระหว่างการทำงานของคลื่นหลักหรือการชาร์จและการคายประจุแบตเตอรี่ แรงดันไฟกระชากชั่วคราวอาจเกินค่าแรงดันไฟฟ้าที่ทนได้ของอุปกรณ์ ส่งผลให้วงจรเสียหาย
อินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์: โฟโตไดโอด (เซ็นเซอร์ PPG) ไวต่อการรบกวนของแสงจากสิ่งแวดล้อมหรือการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตเมื่อรับสัญญาณแสงสะท้อน ส่งผลให้สัญญาณโอเวอร์โหลด
การได้มาซึ่งศักย์ไฟฟ้าชีวภาพ: เมื่ออิเล็กโทรด ECG สัมผัสกับผิวหนัง อาจเกิดไฟฟ้าแรงสูงชั่วคราวจากไฟฟ้าสถิตย์ของมนุษย์ หรือการรบกวนของคลื่นไฟฟ้ากล้ามเนื้อ ซึ่งอาจทำให้ปรีแอมป์เสียหายได้
แหล่งจ่ายไฟสลับความถี่สูง: ตัวแปลง DC ภายใน- อาจทำให้เกิดเสียงเรียกเข้าของแรงดันไฟฟ้าและการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) เนื่องจากคุณลักษณะการกู้คืนย้อนกลับของไดโอดไม่ดีในระหว่างการสวิตช์
2 หลักการทางเทคนิคหลักของไดโอดเพื่อป้องกันไฟกระชากในปัจจุบัน
1. การลดแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว (TVS): "วาล์วนิรภัย" ที่มีการตอบสนองระดับนาโนวินาที
ไดโอด TVS จะดำเนินการอย่างรวดเร็วเมื่อแรงดันไฟฟ้าเกินแรงดันพังทลาย (Vbr) ผ่านคุณลักษณะของโวลต์แอมแปร์แบบไม่เชิงเส้น ซึ่งจะทำให้แรงดันไฟเกินอยู่ในช่วงที่ปลอดภัย เวลาตอบสนองต่ำเพียง 1ps ซึ่งสามารถดูดซับพลังงานชั่วคราว เช่น ฟ้าผ่าและ ESD ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น ในวงจรไดรเวอร์ LED ของเครื่องวัดออกซิเจนในเลือดแบบพัลส์ ไดโอด TVS แบบสองทิศทาง (เช่น SMAJ5.0A) สามารถระงับแรงดันไฟฟ้าบวกและลบที่เพิ่มขึ้นพร้อมกันได้ ปกป้องโฟโตไดโอดจากไฟฟ้าช็อต

2. การเพิ่มประสิทธิภาพคุณสมบัติการกู้คืนแบบย้อนกลับ: กำจัดสัญญาณรบกวนของสวิตช์
Fast Recovery Diode (FRD) และไดโอด Schottky ช่วยลดการเกิดเสียงกริ่งของแรงดันไฟฟ้าในอุปกรณ์จ่ายไฟสวิตชิ่งความถี่สูง- โดยการลดระยะเวลาการกู้คืนแบบย้อนกลับ (TRR) ตัวอย่างเช่น ในตัวแปลง DC-DC ของวงจรรับ ECG, MBR30200PT Schottky Diode (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. การป้องกันการจำกัดกระแส: สตาร์ทแบบนุ่มนวลและการจัดการความร้อน
เชื่อมต่อเทอร์มิสเตอร์ NTC แบบอนุกรมกับขั้วต่ออินพุตกำลังไฟ และใช้ค่าความต้านทานความเย็นสูง (เช่น 5 Ω สำหรับรุ่น 5D-9 ที่ 25 องศา ) เพื่อจำกัดกระแสไฟกระชากเมื่อเปิดเครื่อง หลังจากกระแสร้อนขึ้น ค่าความต้านทานจะลดลงเหลือ<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. การหนีบและเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้า: ปกป้องวงจรที่มีความละเอียดอ่อน
ไดโอดซีเนอร์ให้แรงดันอ้างอิงที่เสถียรสำหรับเครื่องขยายสัญญาณศักย์ไฟฟ้าชีวภาพผ่านค่าคงตัวของแรงดันไฟฟ้าในบริเวณการแยกย่อยแบบย้อนกลับ ตัวอย่างเช่น ซีรีส์ชิป AD8233 รวมไดโอดควบคุมแรงดันไฟฟ้าไว้ภายใน ซึ่งสามารถบีบอัดช่วงความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าอินพุตของวงจรขยายสัญญาณ ECG จาก ± 20% ถึง ± 1% ทำให้มั่นใจในความแม่นยำของการตรวจจับอัตราการเต้นของหัวใจ

3 สถานการณ์และวิธีแก้ปัญหาการใช้งานทั่วไป
1. การป้องกันเซ็นเซอร์โฟโตเพลตีสโมกราฟฟี (PPG)
ในเครื่องวัดออกซิเจน LED สีแดง (660 นาโนเมตร) และ LED อินฟราเรด (940 นาโนเมตร) จะปล่อยแสงสลับกัน และโฟโตไดโอดจะได้รับแสงสะท้อนและแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า เพื่อป้องกันผลกระทบของ ESD ควรเชื่อมต่อไดโอด TVS แบบสองทิศทาง (เช่น P6SMB15CA) แบบขนานที่อินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์ โดยมีแรงดันแคลมป์ 15V ซึ่งสามารถดูดซับพลังงานการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต ± 8kV ในเวลาเดียวกัน ไดโอด Schottky (เช่น BAT54S) เชื่อมต่อแบบอนุกรมในวงจรขับเคลื่อน LED เพื่อลดการใช้พลังงานโดยการใช้แรงดันตกคร่อมไปข้างหน้าต่ำ (0.15V) และหลีกเลี่ยงการเสื่อมสภาพอายุการใช้งานของ LED ที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าที่มากเกินไป

2. การป้องกันวงจรการรับศักย์ไฟฟ้าชีวภาพ ECG
เมื่ออิเล็กโทรด ECG สัมผัสกับผิวหนัง ไฟฟ้าสถิตของมนุษย์อาจสร้างแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวหลายพันโวลต์ โดยการขนานไดโอด TVS (เช่น SMAJ12CA) ที่อินพุตอิเล็กโทรด แรงดันไฟฟ้าจะถูกยึดไว้ที่ต่ำกว่า 12V เพื่อปกป้องปรีแอมพลิฟายเออร์ (เช่น AD8221) จากความเสียหาย นอกจากนี้ วงจรเรียงกระแสบริดจ์+เทอร์มิสเตอร์ NTC ถูกนำมาใช้ที่ปลายอินพุตกำลังไฟ เพื่อลดกระแสไฟกระชากที่เกิดจากความผันผวนของคลื่นหลัก และรับประกันความเสถียรของการรับสัญญาณ ECG

3. การจัดการพลังงานของอุปกรณ์พกพา
ในจอภาพแบบพกพา เช่น กำไลข้อมืออัจฉริยะ วงจรการชาร์จและการคายประจุแบตเตอรี่จำเป็นต้องรับมือกับกระแสไฟกระชากสูงชั่วคราว การใช้ไดโอด SiC Schottky (เช่น C6D10065A) แทนไดโอดซิลิคอนแบบเดิม เวลาการกู้คืนแบบย้อนกลับจะใกล้เคียงกับศูนย์ ซึ่งสามารถลดการสูญเสียการสลับได้ 60% และทนทานต่อกระแสชั่วคราวที่ 100A หลีกเลี่ยงความเสียหายของฮาร์ดแวร์ที่เกิดจากการชาร์จแบตเตอรี่เกินหรือการลัดวงจร นอกจากนี้ ไดโอดป้องกัน ESD (เช่น ESD5D150TA) ยังรวมอยู่ในอินเทอร์เฟซการชาร์จ USB เพื่อคายประจุไฟฟ้าสถิต ± 15kV และปกป้องชิปชาร์จภายใน