Comment utiliser les diodes dans la protection d'isolation électrique médicale ?

一, Le principe de base de la protection d'isolement est de bloquer les chemins électriques et de supprimer la propagation des interférences.
L'objectif principal de l'isolation électrique médicale est de couper la connexion électrique directe entre le circuit du patient et l'alimentation secteur, empêchant ainsi le courant de fuite de traverser le corps humain et de former des micro-chocs électriques (valeur admissible inférieure ou égale à 10 μ A). La diode réalise une protection d'isolement grâce au mécanisme suivant :

Conductivité unidirectionnelle bloquant le courant inverse : dans la conception d'une alimentation isolée, les diodes sont combinées avec des composants tels que des transformateurs et des optocoupleurs pour former un chemin de courant unidirectionnel. Par exemple, dans un convertisseur flyback, la diode de sortie permet uniquement au courant de circuler du secondaire du transformateur vers la charge, bloquant ainsi le courant inverse et évitant que des défauts côté secteur n'affectent le circuit patient.
Surtension transitoire de suppression de tension de serrage : les diodes de suppression de tension transitoire (TVS) peuvent répondre aux événements de surtension en nanosecondes et maintenir la tension à un niveau sûr. À l'extrémité d'entrée d'alimentation des équipements médicaux, les diodes TVS peuvent absorber les interférences telles que les coups de foudre et les transitoires électriques rapides (EFT), protégeant ainsi le circuit en aval des chocs à haute tension.
Isolation optoélectronique pour la transmission du signal : la diode électroluminescente-et la photodiode de l'optocoupleur transmettent des signaux électriques via des signaux optiques, isolant complètement les connexions électriques entre les bornes d'entrée et de sortie. Par exemple, dans un appareil d'électrocardiogramme isolé, l'optocoupleur convertit le signal électrique de surface du patient en un signal optique, qui est ensuite restauré en signal électrique pour éliminer les interférences au sol.
2, scénario d'application typique : couverture complète de la scène, des salles d'opération aux appareils portables
1. Système d'alimentation d'isolation pour salle d'opération
Les installations médicales de classe II telles que les salles d'opération doivent adopter des systèmes informatiques (mode d'alimentation sans mise à la terre) et construire un réseau d'alimentation électrique sécurisé via des transformateurs d'isolement, des dispositifs de surveillance de l'isolement et des bornes d'alarme. La diode joue un double rôle dans ce système :

Isolation du convertisseur Flyback : dans un convertisseur DC/DC isolé, les diodes et les transformateurs fonctionnent ensemble pour obtenir une isolation des entrées-sorties. Par exemple, la puce Lingli Te LT8300 déduit la tension de sortie en détectant la tension aux bornes principales du transformateur et peut obtenir un retour d'isolation sans avoir besoin d'optocoupleurs, simplifiant ainsi la conception et améliorant la fiabilité.
Protection contre les défauts d'isolation : lorsqu'un défaut d'isolation à la terre se produit du côté secondaire du transformateur d'isolement, le circuit à pince à diode limite le courant de fuite au niveau du microampère pour éviter tout risque de choc électrique pour le patient. Dans le même temps, le dispositif de surveillance de l'isolement déclenche une alarme en surveillant les changements de résistance d'isolement, garantissant ainsi la sécurité chirurgicale.
2. Protection électrique des dispositifs médicaux portables
Les moniteurs portables, les pompes à perfusion et autres équipements doivent fonctionner de manière stable dans des environnements électromagnétiques complexes, et les diodes assurent une protection grâce aux méthodes suivantes :

Protection ESD : dans le chemin d'acquisition du signal ECG, la diode TVS SMBJ5.0CA maintient la tension de décharge électrostatique à un niveau sûr, protégeant ainsi les amplificateurs d'instruments à haute impédance d'entrée contre les dommages. Son temps de réponse atteint le niveau de la picoseconde, ce qui peut supprimer efficacement l'électricité statique humaine (± 15 kV) et l'électricité statique générée par la friction des équipements.
Protection contre les tensions inverses : dans le système d'alimentation auxiliaire solaire photovoltaïque, les diodes empêchent le flux inverse du courant du réseau dans le panneau photovoltaïque, évitant ainsi les dommages à l'équipement. Par exemple, la nuit ou par temps nuageux, la caractéristique de coupure de la diode peut bloquer le courant inverse, garantissant ainsi la sécurité de l'onduleur.
3. Contrôle énergétique des équipements chirurgicaux à haute fréquence-
Les couteaux électriques à haute fréquence, les appareils de thérapie au laser et autres équipements nécessitent un contrôle précis de l'énergie de sortie, et les diodes assurent une protection grâce aux mécanismes suivants :

Roue libre de la diode à récupération rapide (FRD) : dans les circuits d'entraînement du moteur, la FRD fournit un chemin de courant inverse lorsque le relais est hors tension, absorbant l'énergie de la force contre-électromotrice du moteur et protégeant les dispositifs d'alimentation des surtensions. Son temps de récupération inverse a été raccourci à 20 ns, ce qui est 30 % plus efficace que les diodes au silicium traditionnelles.
Régulation de la puissance du laser : en utilisant une diode à récupération rapide et un MOSFET pour former un circuit de commutation, l'angle de conduction de la diode est ajusté pour contrôler le courant de commande de la diode laser, obtenant ainsi une puissance de sortie réglable en continu tout en évitant les dommages causés par une surintensité au laser.
3, Stratégie de sélection et d'optimisation de la technologie : équilibrer les performances, les coûts et la fiabilité
1. Correspondance des paramètres de l'appareil
Sélection de diode TVS : des paramètres tels que la tension de serrage maximale (VC), la tension de claquage minimale (VBR) et la puissance d'impulsion de crête (PPP) doivent être pris en compte. Par exemple, dans un circuit d'entrée 220 V CA, des diodes TVS avec Vbr supérieur ou égal à 600 V et PPP supérieur ou égal à 600 W doivent être sélectionnées pour garantir la sécurité de l'équipement en cas de surtension de foudre (forme d'onde 8/20 μ s).
Tension de tenue de la diode d'isolement : dans une alimentation isolée, la tension de tenue inverse de la diode doit être 1,5 fois supérieure à la tension secondaire du transformateur. Par exemple, dans un système de sortie de 48 V, des diodes Schottky avec une tension de tenue inverse supérieure ou égale à 100 V doivent être sélectionnées pour éviter les claquages ​​de tension.
2. Innovation topologique
Architecture de protection à plusieurs niveaux : en adoptant la protection à trois niveaux "GDT+MOV+TVS", GDT absorbe l'énergie de surtension primaire, MOV supprime les surtensions intermédiaires, TVS bloque la tension résiduelle et réalise une atténuation d'énergie étape par étape. Par exemple, dans les alimentations des appareils médicaux à rayons X-, cette architecture peut réduire la tension de surtension de foudre de 8 kV à un niveau sûr.
Module de protection intégré : choisissez un réseau de diodes TVS ou un module de protection ESD pour réduire l'espace de disposition du PCB. Par exemple, la matrice TVS de la série Littelfuse SP1003 peut intégrer quatre protections de signal sur une seule puce, réduisant ainsi l'impact de la capacité parasite sur les signaux à grande vitesse-.
3. Gestion thermique et amélioration de la fiabilité
Conception de dissipation thermique : dans les applications-haute puissance, les diodes doivent être équipées de dissipateurs thermiques ou de dissipateurs thermiques. Par exemple, dans les amplificateurs à gradient d'imagerie médicale par résonance magnétique (IRM), les diodes Schottky SiC dissipent la chaleur à travers un substrat de cuivre pour garantir une température de jonction inférieure à 150 degrés.
Conception redondante : plusieurs diodes parallèles dans les circuits critiques pour améliorer la tolérance aux pannes du système. Par exemple, dans le circuit de charge de condensateur haute tension d'un défibrillateur, deux diodes TVS sont connectées en parallèle pour éviter une défaillance de l'équipement causée par une défaillance en un seul point.