¿Cómo previenen los diodos los aumentos repentinos de corriente en los monitores de signos vitales?

一, Riesgo de sobretensión actual en dispositivos de monitoreo de signos vitales
Los módulos principales del dispositivo de monitoreo de signos vitales incluyen sensores fotoeléctricos, circuitos de adquisición de potencial bioeléctrico y unidades de administración de energía. El riesgo de aumento actual proviene principalmente de los siguientes escenarios:

Terminal de entrada de energía: durante el funcionamiento de las ondas de la red eléctrica o la carga y descarga de la batería, los picos de voltaje transitorios pueden exceder el valor de voltaje soportado del equipo, lo que provoca una falla del circuito.
Interfaz del sensor: los fotodiodos (sensores PPG) son susceptibles a la interferencia de la luz ambiental o a descargas electrostáticas cuando reciben señales de luz reflejadas, lo que provoca una sobrecarga de la señal.
Adquisición de potencial bioeléctrico: cuando los electrodos de ECG entran en contacto con la piel, la electricidad estática humana o la interferencia electromiográfica pueden generar un alto voltaje transitorio, lo que puede dañar el preamplificador.
Fuente de alimentación conmutada de alta frecuencia: los convertidores internos de CC-CC pueden provocar vibraciones de voltaje e interferencias electromagnéticas (EMI) debido a las malas características de recuperación inversa del diodo durante la conmutación.
2, el principio técnico central del diodo para evitar sobretensiones
1. Supresión de voltaje transitorio (TVS): una "válvula de seguridad" con respuesta de nivel de nanosegundos
Los diodos TVS conducen rápidamente cuando el voltaje excede el voltaje de ruptura (Vbr) a través de características no lineales de voltios y amperios, lo que limita la sobretensión a un rango seguro. Su tiempo de respuesta es tan bajo como 1 ps, lo que puede absorber eficazmente energía transitoria como rayos y ESD. Por ejemplo, en el circuito controlador de LED de un oxímetro de pulso, un diodo TVS bidireccional (como SMAJ5.0A) puede suprimir simultáneamente picos de voltaje positivos y negativos, protegiendo el fotodiodo de descargas electrostáticas.

2. Optimización de la función de recuperación inversa: elimine el ruido del interruptor
Los diodos de recuperación rápida (FRD) y los diodos Schottky reducen las oscilaciones de voltaje en las fuentes de alimentación conmutadas de alta-frecuencia al acortar el tiempo de recuperación inversa (TRR). Por ejemplo, en el convertidor DC-DC del circuito de adquisición de ECG, el 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. Protección limitadora de corriente: arranque suave y gestión térmica
Conecte un termistor NTC en serie con el terminal de entrada de alimentación y utilice su valor de alta resistencia en frío (como 5 Ω para el modelo 5D-9 a 25 grados) para limitar la sobrecorriente cuando se enciende. Después de que la corriente se calienta, el valor de resistencia cae a<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. Fijación y estabilización de tensión: protección de circuitos sensibles
Los diodos Zener proporcionan un voltaje de referencia estable para amplificadores de potencial bioeléctrico a través de la constancia del voltaje en la región de ruptura inversa. Por ejemplo, la serie de chips AD8233 integra internamente un diodo regulador de voltaje, que puede comprimir el rango de fluctuación del voltaje de entrada del circuito de amplificación de señal ECG de ± 20% a ± 1%, asegurando la precisión de la detección de frecuencia cardíaca.

3, escenarios de aplicación y soluciones típicos
1. Protección del sensor de fotopletismografía (PPG)
En el oxímetro, el LED rojo (660 nm) y el LED infrarrojo (940 nm) emiten luz alternativamente, y el fotodiodo recibe la luz reflejada y la convierte en una señal eléctrica. Para evitar el impacto de ESD, se debe conectar un diodo TVS bidireccional (como P6SMB15CA) en paralelo en la interfaz del sensor, con un voltaje de sujeción de 15 V, que puede absorber ± 8 kV de energía de descarga electrostática. Al mismo tiempo, los diodos Schottky (como BAT54S) se conectan en serie en el circuito de activación del LED para reducir el consumo de energía utilizando su baja caída de tensión directa (0,15 V) y evitar la degradación de la vida útil del LED causada por una corriente excesiva.

2. Protección del circuito de adquisición de potencial bioeléctrico del ECG.
Cuando los electrodos de ECG entran en contacto con la piel, la electricidad estática humana puede generar miles de voltios de voltaje transitorio. Al poner en paralelo diodos TVS (como SMAJ12CA) en la entrada del electrodo, el voltaje se puede fijar por debajo de 12 V, protegiendo el preamplificador (como AD8221) contra daños. Además, se utiliza una combinación de circuito rectificador de puente + termistor NTC en el extremo de entrada de energía para suprimir la sobrecorriente causada por la fluctuación de la onda de la red y garantizar la estabilidad de la adquisición de la señal de ECG.

3. Gestión de energía de dispositivos portátiles
En monitores portátiles, como pulseras inteligentes, el circuito de carga y descarga de la batería debe hacer frente a sobretensiones transitorias de corriente elevada. Al utilizar diodos Schottky de SiC (como C6D10065A) en lugar de diodos de silicio tradicionales, el tiempo de recuperación inversa es cercano a cero, lo que puede reducir las pérdidas de conmutación en un 60 % y soportar corrientes transitorias de 100 A, evitando daños al hardware causados ​​por sobrecarga de la batería o cortocircuitos. Además, se integra un diodo de protección ESD (como ESD5D150TA) en la interfaz de carga USB para descargar electricidad estática de ± 15 kV y proteger el chip de carga interno.