【经验】超低电容TVS二极管阵列如何实现对医疗设备静电放电保护
电子器件能够在医疗保健方面为医生和护士提供帮助。但是，即使是微弱的静电放电也会影响血压监测仪或自动体外电击器的运行情况。因此，设计者应将电路保护要求考虑在内。
现在，医疗保健供应商、病人及病人家庭可供选用的电子器件越来越多，有血糖仪、血压监测仪、自动体外电击器（AED）以及许多其他设备。但是，即便是看上去很微弱的静电放电，也会轻而易举地让便携式医疗器械变得毫无用处。为了确保医疗器械安全可靠，设计者应在电路设计的最初阶段就把电路保护要求考虑在内。在使用寿命期内，医疗器械电路系统的很多方面都有可能产生各种电气危险。
简而言之，任何电源接口或通信接口都有可能变成电气瞬变的入口，同时，在使用过程中也容易受到损坏。为了保证医疗器械的可靠性，电路设计者必需密切注意电源部分（电池组、DC输入、AC输入）、微处理器、音频/扬声器线路、通信接口（有线和无线）、传感器、LCD显示、小键盘和按键。因此，强烈建议设计者在布置电路板的过程中尽早考虑电路保护方案。设计者必须针对特定的芯片组选择最理想的保护器件和最合理的布局方式。
图1为手持医疗器械电气简图（如血糖仪、心率监测仪），绿色方块表示电路易受过电压或过电流的损坏。由于病人和医疗保健供应商两者都会经常摆弄医疗器械，所以其主要威胁是静电放电。发生静电放电（ESD）时，过电压和过电流会转移到内部电路内。
图1：通用的便携式医疗设备电气框图
第一道防线
要确保病人数据的安全性和完整性,保护医疗器械的通信接口非常重要。康体佳健康联盟的设计准则定义了在连接保健仪器与护理人员上起到无线和有线传输作用的蓝牙和USB接口的具体版本。下面是对各种保护器件是如何可以在便携设备上应用的举例说明。
如图2（上）所示，一台手持式仪器的无线（射频）接口可能受到通过其天线感应的静电放电浪涌的影响。这种电路展示了一种基于半导体技术，能保护蓝牙电路的射频放大器输入模块免受静电放电威胁的解决方案。这种保护器件是一个电容为0.5pF（以保持信号的完整性）的分立二极管，能提供低钳位电压以保护敏感的射频前端。下面是对各种保护器件是如何可以在便携设备上应用的举例说明。
一台仪器的传感器输入（如将血糖仪的测试条连接至其控制器集成电路的输入）是使用者和测量电路之间的接口。这种输入同样使得该仪器易于受到静电放电损坏，因为该传感器以某种方式与使用者接触。如图2（下）所示，分立二极管能在这种电路中加以使用（在该例中显示了四条线路）。这些器件具有较低钳位电压、以及非常低的泄漏电流（<100nA），且能确保传感器电路接收到足够强的信号以得出准确的测量结果。
图2：蓝牙天线与射频前端保护（上），传感器测量电路保护（下）
很多医疗产品设计人员将产品的USB端口既用于内置电池的充电输入又用于数据传输。因此，该端口可能会在不经意间成为静电放电和过载电流的通道。此外，由于数据传输速率增加到5千兆/秒,以及为支持新的数据传输率而在通道电容上的必要减少,用于前几代USB的静电放电保护可能与最新版本不兼容（USB3.0）。因此，设计人员在寻找在不增加信号扭曲电容前提下能保护敏感数据线的电压瞬变保护解决方案上将面临更多的挑战。
USB3.0更多的数据对使电气系统暴露于更大的静电放电威胁下，因为其为电气瞬变提供了更多可能的入口。新的硅阵列静电放电保护器件的设计是直接放置在数据对上，不仅能保护传统的USB2.0数据线，也能保护这些额外的数据信号对。例如，力特SP3012系列TVS二极管阵列（SPA二极管）集成了四个或六个通道的超低电容轨至轨二极管和一个附加齐纳二极管，以为可能受到静电放电威胁的医疗器械提供保护。该系列器件的设计旨在不影响性能的前提下安全地吸收超过IEC61000-4-2国际标准中规定的最高水平（±8kV接触放电）的重复静电放电冲击。极低的负载电容（0.5pF）也使得其非常适合用于保护高速信号线。
图3：USB电路保护（充电电路和I/O）
图3中的示例说明了如何进行技术结合以为传统的USB2.0端口提供更为全面的电路保护解决方案。首先，为了防范过流情况，使用了一个自复式PTC器件——在图中的情况下，是一个在紧凑型0805表面贴装封装内的极低电阻器件。这种特性会确保在为设备充电时将功率损耗和电压降被减少到最低。其次，可保护电源端口和输入/输出线路免受静电放电损坏。图中显示的是一个同时保护三组线路的阵列，该阵列具有足够低的电容值，确保了在高速（480Mbps）数据传输时不会丢失数据。
在一台医疗器械的日常使用中，使用者会频繁接触到通断开关和其他各种按钮。0201封装的空间效率型二极管可以对这些控件进行保护。这些二极管在防止静电放电上性能非常强大（高达30kV接触放电），同时，较小的外形尺寸使它们能够很容易地被采用到电路板的设计中。分立式的形状因数还为电路板设计人员提供了很大的布局灵活性。
虽然有多种电路保护器件可供选择，但却很容易让设计人员为了熟悉度和方便性而形成仅使用一两种类型的习惯。比如，对便携式仪器的过载电流保护通常局限于小小的熔断器。然而，一个正温度系数（PTC）热敏电阻不仅能在过载发生时对电流进行限制，还能在过载情况消失之后“复位”至低电阻值。这解决了不得不更换熔断器所带来的不便。
本文作者为James Colby, LITTELFUSE公司半导体事业部业务和技术开发经理。
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