Comment les diodes empêchent-elles les surtensions dans les moniteurs de signes vitaux ?

一, Risque de surtension actuelle dans les dispositifs de surveillance des signes vitaux
Les modules de base du dispositif de surveillance des signes vitaux comprennent des capteurs photoélectriques, des circuits d'acquisition de potentiel bioélectrique et des unités de gestion de l'énergie. Le risque de surtension actuel provient principalement des scénarios suivants :

Borne d'entrée d'alimentation : pendant le fonctionnement des ondes du secteur ou pendant la charge et la décharge de la batterie, des pointes de tension transitoires peuvent dépasser la valeur de tension de tenue de l'équipement, entraînant une panne de circuit.
Interface du capteur : les photodiodes (capteurs PPG) sont sensibles aux interférences de la lumière ambiante ou aux décharges électrostatiques lors de la réception de signaux lumineux réfléchis, provoquant une surcharge du signal.
Acquisition du potentiel bioélectrique : lorsque les électrodes ECG entrent en contact avec la peau, une haute tension transitoire peut être générée par l'électricité statique humaine ou par des interférences électromyographiques, ce qui peut endommager le préamplificateur.
Alimentation à découpage haute fréquence : les convertisseurs DC-DC internes peuvent provoquer des sonneries de tension et des interférences électromagnétiques (EMI) en raison de mauvaises caractéristiques de récupération inverse des diodes pendant la commutation.
2, le principe technique de base de la diode pour éviter les surtensions
1. Suppression des tensions transitoires (TVS) : une « soupape de sécurité » avec une réponse de niveau nanoseconde
Les diodes TVS conduisent rapidement lorsque la tension dépasse la tension de claquage (Vbr) grâce à des caractéristiques voltampères non linéaires, limitant la surtension à une plage de sécurité. Son temps de réponse est aussi faible que 1 ps, ce qui peut absorber efficacement l'énergie transitoire telle que les coups de foudre et les décharges électrostatiques. Par exemple, dans le circuit pilote de LED d'un oxymètre de pouls, une diode TVS bidirectionnelle (telle que SMAJ5.0A) peut supprimer simultanément les pointes de tension positives et négatives, protégeant ainsi la photodiode des chocs électrostatiques.

2. Optimisation de la fonction de récupération inversée : éliminez le bruit des commutateurs
Les diodes à récupération rapide (FRD) et les diodes Schottky réduisent les oscillations de tension dans les alimentations à découpage haute fréquence -en raccourcissant le temps de récupération inverse (TRR). Par exemple, dans le convertisseur DC-DC du circuit d'acquisition ECG, la diode 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. Protection limitation de courant : démarrage progressif et gestion thermique
Connectez une thermistance NTC en série avec la borne d'entrée d'alimentation et utilisez sa valeur de résistance élevée à froid (telle que 5 Ω pour le modèle 5D-9 à 25 degrés) pour limiter le courant de surtension lors de la mise sous tension. Une fois le courant réchauffé, la valeur de la résistance chute à<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. Clampage et stabilisation de tension : protection des circuits sensibles
Les diodes Zener fournissent une tension de référence stable pour les amplificateurs de potentiel bioélectrique grâce à la constance de tension dans la région de claquage inverse. Par exemple, la série de puces AD8233 intègre en interne une diode régulatrice de tension, qui peut comprimer la plage de fluctuation de tension d'entrée du circuit d'amplification du signal ECG de ± 20 % à ± 1 %, garantissant ainsi la précision de la détection de la fréquence cardiaque.

3, scénarios d'application et solutions typiques
1. Protection du capteur de photopléthysmographie (PPG)
Dans l'oxymètre, la LED rouge (660 nm) et la LED infrarouge (940 nm) émettent alternativement de la lumière, et la photodiode reçoit la lumière réfléchie et la convertit en signal électrique. Pour éviter les impacts ESD, une diode TVS bidirectionnelle (telle que P6SMB15CA) doit être connectée en parallèle à l'interface du capteur, avec une tension de serrage de 15 V, qui peut absorber ± 8 kV d'énergie de décharge électrostatique. Dans le même temps, les diodes Schottky (telles que BAT54S) sont connectées en série dans le circuit de commande des LED pour réduire la consommation d'énergie en utilisant leur faible chute de tension directe (0,15 V) et éviter la dégradation de la durée de vie des LED causée par un courant excessif.

2. Protection du circuit d'acquisition du potentiel bioélectrique ECG
Lorsque les électrodes ECG entrent en contact avec la peau, l’électricité statique humaine peut générer des milliers de volts de tension transitoire. En mettant en parallèle des diodes TVS (telles que SMAJ12CA) à l'entrée de l'électrode, la tension peut être fixée en dessous de 12 V, protégeant ainsi le préamplificateur (tel que AD8221) des dommages. De plus, une combinaison circuit redresseur en pont + thermistance NTC est utilisée à l'extrémité d'entrée d'alimentation pour supprimer le courant de surtension provoqué par la fluctuation de l'onde secteur et assurer la stabilité de l'acquisition du signal ECG.

3. Gestion de l'alimentation des appareils portables
Dans les moniteurs portables tels que les bracelets intelligents, le circuit de charge et de décharge de la batterie doit faire face à des surtensions transitoires élevées. En utilisant des diodes SiC Schottky (telles que C6D10065A) au lieu des diodes au silicium traditionnelles, le temps de récupération inverse est proche de zéro, ce qui peut réduire les pertes de commutation de 60 % et résister à des courants transitoires de 100 A, évitant ainsi les dommages matériels causés par une surcharge de la batterie ou des courts-circuits. De plus, une diode de protection ESD (telle que l'ESD5D150TA) est intégrée à l'interface de chargement USB pour décharger l'électricité statique de ± 15 kV et protéger la puce de chargement interne.