保护我们安全的紧急医疗设备，由谁来“保护”？

一场突如其来、席卷全球的新冠病毒疫情，唤起了人们对于医疗资源的重视，医疗设备这个以往被认为小众而专业的市场，也被拿到了“放大镜”下做更加仔细的审视，特别是以呼吸机为代表的紧急医疗设备这个细分市场，更是受到了格外的关注。

紧急医疗设备可以细分为生命支持系统、病人看护系统、体征监测系统和个人防护设备四个大类，我们所熟悉的呼吸机、自动体外除颤器、超声扫描设备都是其中的重要角色。一直以来这个市场都呈现出一种稳健增长的态势，全球市场的年复合增长率大约在6%左右（如图1）。

图1：全球呼吸机、除颤器和超声扫描仪市场发展态势

（资料来源：fortunebusinessinsights.com）

不过，以上这个预测是在新冠病毒疫情爆发前做出的，这样的突发性公共卫生事件，无疑会极大地改变市场未来的走势。以呼吸机为例，2019年77,000台呼吸机已经可以满足全球市场的需要，而在2020年4月仅美国纽约就需要33,000台，考虑到新冠疫情的持续影响，未来相当长一段时间内，对呼吸机的需求都会维持在一个高位。

除了这种直接的影响，新冠病毒疫情也强化了全社会的健康意识，推动未来人们在紧急医疗设备领域的投资，让它们的应用场景从专业医疗机构扩展到人们的日常生活中，更有效地守护更多人的生命健康，比如今天越来越多的体育馆、地铁站等公共场所，都配备了便携式除颤仪，这就是一个例证。

可见，未来的紧急医疗设备市场将会更加“热闹”，也会给市场中的玩家带来更大的商机，不过与此同时也会给产品的研发和生产带来更大的挑战。如何能够在响应快速增长的市场需求的同时，确保产品的可靠性和品质，应该是诸多挑战中最重要的一个。毕竟，这类设备关乎生命，如果关键时刻出现问题，后果就严重了。

想要确保电子设备安全可靠地运行，尽量避免外界环境或内部系统故障的影响，需要在产品设计之初就准备相应的“预案”，在这些“预案”中，防止系统因受到过流或过压等意外的大能量冲击而损坏，是必不可少的一条，这就需要开发者在产品设计时将电路保护的功课做足。

目前市场上可供使用的电路保护产品有很多类型，它们各具特点，在电路保护中扮演着不同的角色。

过流保护的目的就是，当电路中的电流超过预定最大值时，能够及时切断电流的通路，避免其对后面的电路和元器件造成冲击。市面上最常见的过流保护元件有两种：

• 保险丝：它是通过让电流产生的热量将自身熔断切断电流的方式，阻断瞬变大电流，其电路设计简单，成本低，特别适合于对安全最为敏感的系统和电路的保护。

• PPTC自恢复保险丝：在低温时，PPTC呈低阻状态；而遭遇过流时，大电流产生的热量会改变PPTC内部高分子聚合物材料的状态，快速转变为高阻状态，阻止电流的通过；当断电排除引起过流的故障后，电路恢复到正常状态时，PPTC又会重新恢复到低阻状态，导通电路。这种可以反复使用的特性，使PPTC有別于保险丝这种一次性元件，减少了物料替换和维修的成本，因此它适合于那种会经常性受到过流威胁且需要保持系统运行连续性的应用，或是不方便维修更换零部件的场合。

过压保护元器件的任务是，当电路中出现一个超过预定的最大值时，可以快速建立一个通道将其能量泄放掉，保护后级的电路和敏感元器件不受伤害。过压保护的产品更为多样。

• 气体放电管（GDT）：其通常是在一个玻璃或陶瓷封装的元件内注入气体，当元件两端金属电极间出现一个超出额定值的瞬态高电压时，会将气体击穿形成导电通路，泄放能量。GDT可以耐受20kA的浪涌电流，适用于浪涌能量较高的初级电源防护；由于气体放电管是一种间隙式的保件器件，其电容值很低（低至1pF），适合于一些高速数据通信线路的保护。

• 金属氧化物压敏电阻（MOV）：它是一种随电压而变化的非线性电阻器，电压升高时快速导通，其结构像一个背对背串连的齐纳二极管，可以吸收很大瞬变能量，适合于一些高能量的应用，如次级AC电源线的过压保护。

• 多层压敏电阻（MLV）：和MOV同属于压敏电阻，不过MLV可采用表面封装的紧凑外形，通常为小型化和便携式的产品提供ESD静电防护。

• 瞬变电压抑制二极管（TVS）：它也是利用一个背对背串连的PN结架构实现电压的箝位，和常规二极管相比TVS的PN结横截面要大很多，可以允许更大的能量通过。由于是一个固态半导体器件，TVS箝位响应速度非常快，性能参数也更加稳定。在应用中，除了浪涌能量较高的初级电源线保护外，TVS可用于广泛的过压保护场景。

• TVS二极管阵列：顾名思义，这是将多个TVS封装在一个器件中，很适合高密度、小型化的电路系统。与其他过压保护方案相比，它的箝位电压低一些，但是漏电流也更低。TVS阵列具有可以低至0.1pF的电容，所以可用于高速信号线路的保护。

• ESD抑制器：快速的响应速度、超低的电容和紧凑的外形是ESD抑制器的三个主要特点，由此也可以看出它是高速数据电路系统ESD静电防护的理想之选。

表1：各种过压保护技术的特性比较

（资料来源：Littelfuse）

之所以会有这么多类型的电路保护产品，主要是因为一个电子系统中，需要电路保护的地方有很多，不同的应用场合面临的过流或过压威胁也不同，所以为一个应用场景选择最合适的电路保护方案尤为关键。在表2中，列举了一些主要的过流和过压威胁产生的原因，以及相应的电路保护产品选型的一般原则。

表2：常见过流和过压威胁及对应电路保护方案

（资料来源：Littelfuse）

上面我们讨论了电路保护的常用技术方案，以及应用选型的一般原则。可以看出，这实际上就是对浪涌能量等级、响应时间、线路数据传输速率、系统外形尺寸等因素综合考虑的结果。

但是在实际的产品开发过程中，工程师面对的情况会更为复杂，这主要表现在：

• 市场上电路保护技术供应商和产品繁多，增加了选型的工作量；

• 需要对目标应用要求的技术规格有深刻的了解，再和电路保护产品特性相匹配，才能选择出最适合的方案，这需要深厚的行业经验；

• 除了满足技术规格要求，不可避免地要受到成本、外形等其他因素的制约，想实现最优方案，也有难度。

想要解决上述难题，一条捷径就是找到一个电路保护的“完整解决方案”。这其中有两层含义：所谓“完整”，是指这个供应商需要有完整的电路保护产品，可以覆盖产品电路保护的所有场景；所谓“解决方案”，意味着这应该是建立在对自身产品特性和设计规格深刻理解的基础上，能够满足商用要求的、经过优化的成果。

具体到本文所关心的紧急医疗设备，这样一类对安全可靠性要求非常严苛的产品，想为其找到一个完整、可靠的电路保护方案，应该如何做？这一定是大家所关心的问题。

好在，这个难题Littelfuse帮大家解决了！针对紧急医疗设备中呼吸机、除颤器和超声扫描仪三个热门产品，Littelfuse给出了真正的完整解决方案。下面我们以呼吸机为例，做进一步的展示和介绍。

图2展示了一个呼吸机产品中，需要特别考虑电路保护的几个功能模块及对应的过流、过压、ESD保护产品。主要的应用包括两大类：一个是对于电源、电池等能源供应系统的保护，其中难免会受到浪涌能量的冲击；二是对于数据通信（包括有线和无线）以及人机交互接口的保护，比如医护人员和患者使用设备时可能产生的静电放电，就需要给予认真的考虑，找到相应的防护对策。

图2：呼吸机主要功能模块的电路保护方案

（图片来源：Littelfuse）

从图3的系统框图中，我们可以更好地理解呼吸机的整体系统架构，以及需要在哪些电源线路和信号线路上提供电路保护。

图3：呼吸机的系统框图

（图片来源：Littelfuse）

接下来的图4就是重点了——在以上对终端应用需求理解的基础上，Littelfuse给出了一份完整的参考物料清单，开发者按照这个清单就可以锁定合适的电路保护元器件，当然这些物料的确定，都是Littelfuse在电路保护领域多年专业经验的结晶！

图4：呼吸机电路保护方案及其参考物料清单

（图片来源：Littelfuse）

同样地，Littelfuse针对除颤器和超声扫描仪也给出了这样完整的方案。在这两个便携式的产品中，由于有无线通信功能，所以专门考虑了无线通信接口的ESD防护。

图5：除颤器主要功能模块的电路保护方案

（图片来源：Littelfuse）

图6：超声扫描仪主要功能模块的电路保护方案

（图片来源：Littelfuse）

在上述的紧急医疗设备方案中，细心的小伙伴可能会发现，除了电路保护产品，还有不少传感器和电源控制类的产品，这也是Littelfuse这些年不断扩展自身产品线的成果。更全面的产品组合，对于用户产品研发和生产过程中的物料选型和供应链管理，都是很有帮助的。

本文篇幅所限，无法对Littelfuse所提供的紧急医疗设备解决方案的内容做完整的呈现，如果你对此有兴趣——

最后总结一下——我们人类的健康，需要越来越多、越来越高能的医疗设备来守护；而这些医疗设备安全可靠的运行，则需要电路保护以及其他相关技术来守护。我们在产品设计上多费的一点小“心思”，多斟酌的几颗料，最终都会成为未来更可托付的医疗健康体系的一部分，这是一件很有意义的事。而Littelfuse提供的技术和方案，会让我们事半功倍！