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一場(chǎng)突如其來(lái)、席卷全球的新冠病毒疫情，喚起了人們對(duì)于醫(yī)療資源的重視，醫(yī)療設(shè)備這個(gè)以往被認(rèn)為小眾而專(zhuān)業(yè)的市場(chǎng)，也被拿到了“放大鏡”下做更加仔細(xì)的審視，特別是以呼吸機(jī)為代表的緊急醫(yī)療設(shè)備這個(gè)細(xì)分市場(chǎng)，更是受到了格外的關(guān)注。
緊急醫(yī)療設(shè)備可以細(xì)分為生命支持系統(tǒng)、病人看護(hù)系統(tǒng)、體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和個(gè)人防護(hù)設(shè)備四個(gè)大類(lèi)，我們所熟悉的呼吸機(jī)、自動(dòng)體外除顫器、超聲掃描設(shè)備都是其中的重要角色。一直以來(lái)這個(gè)市場(chǎng)都呈現(xiàn)出一種穩(wěn)健增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，全球市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率大約在6%左右（如圖1）。
圖1：全球呼吸機(jī)、除顫器和超聲掃描儀市場(chǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)
（資料來(lái)源：fortunebusinessinsights.com）
不過(guò)，以上這個(gè)預(yù)測(cè)是在新冠病毒疫情爆發(fā)前做出的，這樣的突發(fā)性公共衛(wèi)生事件，無(wú)疑會(huì)極大地改變市場(chǎng)未來(lái)的走勢(shì)。以呼吸機(jī)為例，2019年77，000臺(tái)呼吸機(jī)已經(jīng)可以滿足全球市場(chǎng)的需要，而在2020年4月僅美國(guó)紐約就需要33，000臺(tái)，考慮到新冠疫情的持續(xù)影響，未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)呼吸機(jī)的需求都會(huì)維持在一個(gè)高位。
除了這種直接的影響，新冠病毒疫情也強(qiáng)化了全社會(huì)的健康意識(shí)，推動(dòng)未來(lái)人們?cè)诰o急醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的投資，讓它們的應(yīng)用場(chǎng)景從專(zhuān)業(yè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)擴(kuò)展到人們的日常生活中，更有效地守護(hù)更多人的生命健康，比如今天越來(lái)越多的體育館、地鐵站等公共場(chǎng)所，都配備了便攜式除顫儀，這就是一個(gè)例證。
可見(jiàn)，未來(lái)的緊急醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)將會(huì)更加“熱鬧”，也會(huì)給市場(chǎng)中的玩家?guī)?lái)更大的商機(jī)，不過(guò)與此同時(shí)也會(huì)給產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。如何能夠在響應(yīng)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求的同時(shí)，確保產(chǎn)品的可靠性和品質(zhì)，應(yīng)該是諸多挑戰(zhàn)中最重要的一個(gè)。畢竟，這類(lèi)設(shè)備關(guān)乎生命，如果關(guān)鍵時(shí)刻出現(xiàn)問(wèn)題，后果就嚴(yán)重了。
想要確保電子設(shè)備安全可靠地運(yùn)行，盡量避免外界環(huán)境或內(nèi)部系統(tǒng)故障的影響，需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就準(zhǔn)備相應(yīng)的“預(yù)案”，在這些“預(yù)案”中，防止系統(tǒng)因受到過(guò)流或過(guò)壓等意外的大能量沖擊而損壞，是必不可少的一條，這就需要開(kāi)發(fā)者在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)將電路保護(hù)的功課做足。
關(guān)鍵的電路保護(hù)，誰(shuí)來(lái)實(shí)現(xiàn)？
目前市場(chǎng)上可供使用的電路保護(hù)產(chǎn)品有很多類(lèi)型，它們各具特點(diǎn)，在電路保護(hù)中扮演著不同的角色。
過(guò)流保護(hù)
過(guò)流保護(hù)的目的就是，當(dāng)電路中的電流超過(guò)預(yù)定最大值時(shí)，能夠及時(shí)切斷電流的通路，避免其對(duì)后面的電路和元器件造成沖擊。市面上最常見(jiàn)的過(guò)流保護(hù)元件有兩種：
保險(xiǎn)絲：它是通過(guò)讓電流產(chǎn)生的熱量將自身熔斷切斷電流的方式，阻斷瞬變大電流，其電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，特別適合于對(duì)安全最為敏感的系統(tǒng)和電路的保護(hù)。
PPTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲：在低溫時(shí)，PPTC呈低阻狀態(tài)；而遭遇過(guò)流時(shí)，大電流產(chǎn)生的熱量會(huì)改變PPTC內(nèi)部高分子聚合物材料的狀態(tài)，快速轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，阻止電流的通過(guò)；當(dāng)斷電排除引起過(guò)流的故障后，電路恢復(fù)到正常狀態(tài)時(shí)，PPTC又會(huì)重新恢復(fù)到低阻狀態(tài)，導(dǎo)通電路。這種可以反復(fù)使用的特性，使PPTC有別于保險(xiǎn)絲這種一次性元件，減少了物料替換和維修的成本，因此它適合于那種會(huì)經(jīng)常性受到過(guò)流威脅且需要保持系統(tǒng)運(yùn)行連續(xù)性的應(yīng)用，或是不方便維修更換零部件的場(chǎng)合。
過(guò)壓保護(hù)
過(guò)壓保護(hù)元器件的任務(wù)是，當(dāng)電路中出現(xiàn)一個(gè)超過(guò)預(yù)定的最大值時(shí)，可以快速建立一個(gè)通道將其能量泄放掉，保護(hù)后級(jí)的電路和敏感元器件不受傷害。過(guò)壓保護(hù)的產(chǎn)品更為多樣。
氣體放電管（GDT）：其通常是在一個(gè)玻璃或陶瓷封裝的元件內(nèi)注入氣體，當(dāng)元件兩端金屬電極間出現(xiàn)一個(gè)超出額定值的瞬態(tài)高電壓時(shí)，會(huì)將氣體擊穿形成導(dǎo)電通路，泄放能量。GDT可以耐受20kA的浪涌電流，適用于浪涌能量較高的初級(jí)電源防護(hù)；由于氣體放電管是一種間隙式的保件器件，其電容值很低（低至1pF），適合于一些高速數(shù)據(jù)通信線路的保護(hù)。
金屬氧化物壓敏電阻（MOV）：它是一種隨電壓而變化的非線性電阻器，電壓升高時(shí)快速導(dǎo)通，其結(jié)構(gòu)像一個(gè)背對(duì)背串連的齊納二極管，可以吸收很大瞬變能量，適合于一些高能量的應(yīng)用，如次級(jí)AC電源線的過(guò)壓保護(hù)。
多層壓敏電阻（MLV）：和MOV同屬于壓敏電阻，不過(guò)MLV可采用表面封裝的緊湊外形，通常為小型化和便攜式的產(chǎn)品提供ESD靜電防護(hù)。
瞬變電壓抑制二極管（TVS）：它也是利用一個(gè)背對(duì)背串連的PN結(jié)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)電壓的箝位，和常規(guī)二極管相比TVS的PN結(jié)橫截面要大很多，可以允許更大的能量通過(guò)。由于是一個(gè)固態(tài)半導(dǎo)體器件，TVS箝位響應(yīng)速度非常快，性能參數(shù)也更加穩(wěn)定。在應(yīng)用中，除了浪涌能量較高的初級(jí)電源線保護(hù)外，TVS可用于廣泛的過(guò)壓保護(hù)場(chǎng)景。
TVS二極管陣列：顧名思義，這是將多個(gè)TVS封裝在一個(gè)器件中，很適合高密度、小型化的電路系統(tǒng)。與其他過(guò)壓保護(hù)方案相比，它的箝位電壓低一些，但是漏電流也更低。TVS陣列具有可以低至0.1pF的電容，所以可用于高速信號(hào)線路的保護(hù)。
ESD抑制器：快速的響應(yīng)速度、超低的電容和緊湊的外形是ESD抑制器的三個(gè)主要特點(diǎn)，由此也可以看出它是高速數(shù)據(jù)電路系統(tǒng)ESD靜電防護(hù)的理想之選。
表1：各種過(guò)壓保護(hù)技術(shù)的特性比較
（資料來(lái)源：Littelfuse）
之所以會(huì)有這么多類(lèi)型的電路保護(hù)產(chǎn)品，主要是因?yàn)橐粋€(gè)電子系統(tǒng)中，需要電路保護(hù)的地方有很多，不同的應(yīng)用場(chǎng)合面臨的過(guò)流或過(guò)壓威脅也不同，所以為一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景選擇最合適的電路保護(hù)方案尤為關(guān)鍵。在表2中，列舉了一些主要的過(guò)流和過(guò)壓威脅產(chǎn)生的原因，以及相應(yīng)的電路保護(hù)產(chǎn)品選型的一般原則。
表2：常見(jiàn)過(guò)流和過(guò)壓威脅及對(duì)應(yīng)電路保護(hù)方案
（資料來(lái)源：Littelfuse）
緊急醫(yī)療設(shè)備電路保護(hù)方案，哪里找？
上面我們討論了電路保護(hù)的常用技術(shù)方案，以及應(yīng)用選型的一般原則?？梢钥闯?，這實(shí)際上就是對(duì)浪涌能量等級(jí)、響應(yīng)時(shí)間、線路數(shù)據(jù)傳輸速率、系統(tǒng)外形尺寸等因素綜合考慮的結(jié)果。
但是在實(shí)際的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，工程師面對(duì)的情況會(huì)更為復(fù)雜，這主要表現(xiàn)在：
市場(chǎng)上電路保護(hù)技術(shù)供應(yīng)商和產(chǎn)品繁多，增加了選型的工作量；
需要對(duì)目標(biāo)應(yīng)用要求的技術(shù)規(guī)格有深刻的了解，再和電路保護(hù)產(chǎn)品特性相匹配，才能選擇出最適合的方案，這需要深厚的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)；
除了滿足技術(shù)規(guī)格要求，不可避免地要受到成本、外形等其他因素的制約，想實(shí)現(xiàn)最優(yōu)方案，也有難度。
想要解決上述難題，一條捷徑就是找到一個(gè)電路保護(hù)的“完整解決方案”。這其中有兩層含義：所謂“完整”，是指這個(gè)供應(yīng)商需要有完整的電路保護(hù)產(chǎn)品，可以覆蓋產(chǎn)品電路保護(hù)的所有場(chǎng)景；所謂“解決方案”，意味著這應(yīng)該是建立在對(duì)自身產(chǎn)品特性和設(shè)計(jì)規(guī)格深刻理解的基礎(chǔ)上，能夠滿足商用要求的、經(jīng)過(guò)優(yōu)化的成果。
具體到本文所關(guān)心的緊急醫(yī)療設(shè)備，這樣一類(lèi)對(duì)安全可靠性要求非常嚴(yán)苛的產(chǎn)品，想為其找到一個(gè)完整、可靠的電路保護(hù)方案，應(yīng)該如何做？這一定是大家所關(guān)心的問(wèn)題。
好在，這個(gè)難題Littelfuse幫大家解決了！針對(duì)緊急醫(yī)療設(shè)備中呼吸機(jī)、除顫器和超聲掃描儀三個(gè)熱門(mén)產(chǎn)品，Littelfuse給出了真正的完整解決方案。下面我們以呼吸機(jī)為例，做進(jìn)一步的展示和介紹。
圖2展示了一個(gè)呼吸機(jī)產(chǎn)品中，需要特別考慮電路保護(hù)的幾個(gè)功能模塊及對(duì)應(yīng)的過(guò)流、過(guò)壓、ESD保護(hù)產(chǎn)品。主要的應(yīng)用包括兩大類(lèi)：一個(gè)是對(duì)于電源、電池等能源供應(yīng)系統(tǒng)的保護(hù)，其中難免會(huì)受到浪涌能量的沖擊；二是對(duì)于數(shù)據(jù)通信（包括有線和無(wú)線）以及人機(jī)交互接口的保護(hù)，比如醫(yī)護(hù)人員和患者使用設(shè)備時(shí)可能產(chǎn)生的靜電放電，就需要給予認(rèn)真的考慮，找到相應(yīng)的防護(hù)對(duì)策。
圖2：呼吸機(jī)主要功能模塊的電路保護(hù)方案
（圖片來(lái)源：Littelfuse）
從圖3的系統(tǒng)框圖中，我們可以更好地理解呼吸機(jī)的整體系統(tǒng)架構(gòu)，以及需要在哪些電源線路和信號(hào)線路上提供電路保護(hù)。
圖3：呼吸機(jī)的系統(tǒng)框圖
（圖片來(lái)源：Littelfuse）
接下來(lái)的圖4就是重點(diǎn)了——在以上對(duì)終端應(yīng)用需求理解的基礎(chǔ)上，Littelfuse給出了一份完整的參考物料清單，開(kāi)發(fā)者按照這個(gè)清單就可以鎖定合適的電路保護(hù)元器件，當(dāng)然這些物料的確定，都是Littelfuse在電路保護(hù)領(lǐng)域多年專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶！
圖4：呼吸機(jī)電路保護(hù)方案及其參考物料清單
（圖片來(lái)源：Littelfuse）
同樣地，Littelfuse針對(duì)除顫器和超聲掃描儀也給出了這樣完整的方案。在這兩個(gè)便攜式的產(chǎn)品中，由于有無(wú)線通信功能，所以專(zhuān)門(mén)考慮了無(wú)線通信接口的ESD防護(hù)。
圖5：除顫器主要功能模塊的電路保護(hù)方案
（圖片來(lái)源：Littelfuse）
圖6：超聲掃描儀主要功能模塊的電路保護(hù)方案
（圖片來(lái)源：Littelfuse）
在上述的緊急醫(yī)療設(shè)備方案中，細(xì)心的小伙伴可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，除了電路保護(hù)產(chǎn)品，還有不少傳感器和電源控制類(lèi)的產(chǎn)品，這也是Littelfuse這些年不斷擴(kuò)展自身產(chǎn)品線的成果。更全面的產(chǎn)品組合，對(duì)于用戶產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中的物料選型和供應(yīng)鏈管理，都是很有幫助的。
本文篇幅所限，無(wú)法對(duì)Littelfuse所提供的緊急醫(yī)療設(shè)備解決方案的內(nèi)容做完整的呈現(xiàn)，如果你對(duì)此有興趣——
請(qǐng)掃描以下圖片上的二維碼獲取解決方案的完整版
最后總結(jié)一下——我們?nèi)祟?lèi)的健康，需要越來(lái)越多、越來(lái)越高能的醫(yī)療設(shè)備來(lái)守護(hù)；而這些醫(yī)療設(shè)備安全可靠的運(yùn)行，則需要電路保護(hù)以及其他相關(guān)技術(shù)來(lái)守護(hù)。我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)上多費(fèi)的一點(diǎn)小“心思”，多斟酌的幾顆料，最終都會(huì)成為未來(lái)更可托付的醫(yī)療健康體系的一部分，這是一件很有意義的事。而Littelfuse提供的技術(shù)和方案，會(huì)讓我們事半功倍！
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