呼吸機(jī)系統(tǒng)鼓風(fēng)和閥門控制設(shè)計(jì)方案

本方案面向呼吸機(jī)、麻醉給藥系統(tǒng)、CPAP 呼吸機(jī)、制氧機(jī)等應(yīng)用，能夠支持電機(jī)加減速高達(dá)±200kRPM/s，這是許多呼吸機(jī)應(yīng)用中的關(guān)鍵要求）。方案支持包括TMS320F28027F在內(nèi)的許多板外 C2000控制器，從而實(shí)現(xiàn)低成本、無傳感器的磁場定向控制(FOC)。此外,該設(shè)計(jì)支持寬輸入電壓范圍6V至28V），能夠同時(shí)調(diào)節(jié)線路功率和電池功率。

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此方案結(jié)構(gòu)緊湊，主要特點(diǎn)包括：
?高達(dá)±200kRPM/s 的快速加速和減速。
?250毫秒內(nèi)從10kRPM增至40kRPM (C65MS1-L5)。
?200毫秒內(nèi)從40kRPM 降至10kRPM (C65MS1-L5)。
?寬輸入電壓范圍6V至28V）支持直流或電池的穩(wěn)壓輸入，具有電源保護(hù)，防止浪涌、過流和反極性。
?具有板外FOC控制的DRV8323R電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可安靜且高效地產(chǎn)生壓縮空氣。
?集成驅(qū)動(dòng)器保護(hù)特性包括UVLO、過流和過熱保護(hù)。
?用于控制六個(gè)電磁閥的雙路DRV8847 H橋步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。

方案說明

在一些情況下，用機(jī)器輔助患者呼吸是一種必要的醫(yī)療手段，因具體應(yīng)用而異，這些機(jī)器可能需要電機(jī)和閥門。例如，呼吸機(jī)使用電機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣，并使用閥門系統(tǒng)輸送壓縮空氣或?qū)⒎尾?空氣釋放回大氣中，以便通過機(jī)械方式輔助呼吸。呼吸機(jī)還可與麻醉給藥系統(tǒng)配合使用，使患者保持在安全的麻醉狀態(tài)中。麻醉給藥系統(tǒng)包含許多瓣膜，用于混合藥物和保護(hù)患者。呼吸機(jī)通 常用于醫(yī)院、機(jī)構(gòu)、運(yùn)輸和家庭環(huán)境中。

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呼吸機(jī)系統(tǒng)有三種基本的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：風(fēng)箱、活塞和渦輪。對于風(fēng)箱系統(tǒng)，通常情況下，伺服閥控制氣動(dòng)力，氣動(dòng)力使風(fēng)箱中的空氣壓縮。對于活塞系統(tǒng)，通常情況下，由BLDC或直流伺服電機(jī) 移動(dòng)活塞來壓縮空氣。對于渦輪系統(tǒng)，通常情況下，使用BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪（風(fēng)機(jī)）。

此參考設(shè)計(jì)的不同方面需要考慮到不同的呼吸應(yīng)用。CPAP呼吸機(jī)主要需要此設(shè)計(jì)中的BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器部分，而麻醉給藥系統(tǒng)需要閥驅(qū)動(dòng)器部分。氧氣濃縮器和呼吸機(jī)將二者結(jié)合使用。

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（1）無刷直流電機(jī) (BLDC)

可以使用幾種電機(jī)類型為上述應(yīng)用產(chǎn)生壓縮空氣，包括有刷直流(BDC)、BLDC甚至是交流電機(jī)。在上述三種類型中，交流電機(jī)最易于控制。然而，交流電機(jī)使用額外能源來產(chǎn)生電磁體，這降低 了其效率，而且它們的物理尺寸往往比BDC和BLDC電機(jī)都大。交流電機(jī)也不能快速改變速度。

與BLDC電機(jī)相比，BDC電機(jī)往往成本更低，控制方案也更簡單。然而， BLDC具有的若干優(yōu)勢特別適用于呼吸醫(yī)療應(yīng)用。這些電機(jī)的最大優(yōu)勢是它們是無刷、非接觸式的，這就意味著它們本身 比BDC電機(jī)更加安靜，壽命也更長。由于電刷會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化，有刷直流電機(jī)則會(huì)更快地磨損。此外，雖然BLDC電機(jī)的控制要復(fù)雜得多，但BLDC電機(jī)在給定電機(jī)功率下是最高效的電機(jī) 類型，并且尺寸最小。與其他電機(jī)類型相比，無刷直流電機(jī)還能實(shí)現(xiàn)最高速度和最佳動(dòng)態(tài)速度性能（加速和減速）。

為了實(shí)現(xiàn)最安靜和最高效的運(yùn)行，通常使用磁場定向控制 (FOC) 作為控制算法。FOC是一種將所有扭矩施加在垂直于轉(zhuǎn)子的電機(jī)上的技術(shù)；這樣可實(shí)現(xiàn)最大的驅(qū)動(dòng)效率。此外，許多系統(tǒng)實(shí)施 無傳感器控制方案，這意味著電機(jī)本身沒有嵌入式霍爾效應(yīng)傳感器。無傳感器驅(qū)動(dòng)方案允許使用更多類型的電機(jī)，然而，如果所用電機(jī)內(nèi)置有傳感器，也可實(shí)施有傳感器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。方案采用 了一項(xiàng)稱為InstaSpin-FOC的技術(shù)，該技術(shù)在選定的Piccolo系列MCU上運(yùn)行，與從頭設(shè)計(jì)控制方案相比，可以更快地構(gòu)建無傳感器FOC。

基于DRV8323RS的若干功能，本設(shè)計(jì)選用它作為電機(jī)柵極驅(qū)動(dòng)器。例如，DRV8323RS具有三個(gè)集成半橋驅(qū)動(dòng)器，能夠?yàn)?a href="http://wenjunhu.com/tags/mosfet/" target="_blank">MOSFET柵極提供2A 電流和吸收1A電流。DRV8323RS還集成了用于實(shí)現(xiàn)100% 占空比的高側(cè)MOSFET的電荷泵，能夠支持高達(dá)600mA供外部使用的異步降壓轉(zhuǎn)換器以及三個(gè)用于檢測電機(jī)電流的低側(cè)電流檢測放大器。選擇此器件的另一重要原因是它能夠處理此參考設(shè)計(jì)所需 的整個(gè)電壓范圍，即6-28V。

為了實(shí)現(xiàn)所需FOC算法，已選用最新的Piccolo MCU TMS320F28027F來運(yùn)行TI的InstaSpin-FOC控制軟件。該參考設(shè)計(jì)包含連接至Piccolo的Launchpad的連接器。這樣，F(xiàn)OC通過即插即用外圍設(shè) 備集成到設(shè)計(jì)中，允許用戶輕松測試此控制算法。

（2）電磁閥驅(qū)動(dòng)器

電磁閥是許多呼吸應(yīng)用（例如氧氣濃縮器）的關(guān)鍵組件，用于實(shí)現(xiàn)多種功能。氧氣濃縮器使用壓縮機(jī)將空氣和氧氣分離到單獨(dú)的罐中。然后啟動(dòng)電磁閥，將特定量的每種氣體釋放到腔室中， 再使用單獨(dú)的閥片通過面罩將混合氣體輸送給患者。如果檢測到故障，電磁閥還可以停止氣流流向面罩。這些閥片在麻醉給藥系統(tǒng)中同樣有用，在該系統(tǒng)中，多種氣體在輸送給患者之前通常 都需混合在一起。氧氣濃縮器往往有4-6個(gè)這種閥片，而麻醉給藥系統(tǒng)往往有15個(gè)以上。

電磁閥有不同的配置來控制流液體或氣流的流動(dòng)。最簡單的配置是將兩個(gè)管道連接形成2通閥；但也有3通接頭和4通接頭，這些接頭可以是簡易的開/關(guān)閥片、二進(jìn)制閥、自鎖閥或抖動(dòng)閥。每 種不同的閥類型都需要不同的控制方法，但此參考設(shè)計(jì)只關(guān)注控制最簡單的開/關(guān)閥。開/關(guān)閥天然地具有一個(gè)未通電位置，通過施加電流使電磁閥通電從而操作開/關(guān)閥以改變閥的位置。在自 然關(guān)閉的2通閥中，閥片會(huì)關(guān)閉，防止流體或氣體流動(dòng)，直到電磁閥通電，才會(huì)打開閥片使流體或氣體流動(dòng)。另一個(gè)示例是，在 3 通連接閥中，自然位置將三個(gè)管道中的兩個(gè)連接在一起，并 在閥片通電后會(huì)連接兩個(gè)不同的管道。

可以直接控制開/關(guān)閥，其中需要將電流施加給電磁閥使閥片。有些開/關(guān)閥是單向的，只能接受單一方向的電流進(jìn)行通電，還有一些閥是雙向的。所需的電流量取決于具體的閥片，但電磁閥 的電流波形是一致的。最初，需要一個(gè)峰值電流來為閥片通電，同時(shí)需要較低的電流量來維持通電狀態(tài)。無論方向如何，這些閥片均可由低側(cè)或高側(cè) MOSFET 和閥驅(qū)動(dòng)器稍作控制，這些驅(qū)動(dòng) 器可以接收 MCU 的輸入，使閥片通電。雖然簡單，但此控制方案可能較為低效，因?yàn)樗鼤?huì)將電流保持在峰值，而不是降低電流以保持通電狀態(tài)。通過添加電流反饋路徑，可以實(shí)現(xiàn)峰值-保持 控制，使電流降低，且保持通電狀態(tài)，以提升系統(tǒng)效率。一些閥驅(qū)動(dòng)器集成了峰值-保持控制，而另外一些則需要 MCU 來讀取電流并實(shí)現(xiàn)控制。

對于此參考設(shè)計(jì)，選用了DRV8847（是一款18V、2A雙路H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）來驅(qū)動(dòng)電磁閥。器件中的每個(gè)半橋可單獨(dú)控制，也就是說 DRV8847 能夠驅(qū)動(dòng)多達(dá)四個(gè)單向閥或兩個(gè)雙向閥。本設(shè)計(jì)采 用兩個(gè)DRV8847 IC，一個(gè)用于單向控制，一個(gè)用于雙向控制。DRV8847能夠通過每個(gè)半橋驅(qū)動(dòng) 1A的電流，集成MOSFET 具有1? 的 RDS(on)。該器件還集成了一個(gè)電流感應(yīng)放大器，來進(jìn)行過流 保護(hù)；然而，驅(qū)動(dòng)器未融合峰值-保持控制選項(xiàng)，因此必須由MCU來實(shí)現(xiàn)。DRV8847的每個(gè)半橋由本地MCU 的PWM驅(qū)動(dòng)，所選 MCU為MSP430FR2155。之所以選擇此MCU， 是因?yàn)樗哂兴斜匾?外設(shè)，外形很小且性價(jià)比高。

泵也是呼吸系統(tǒng)必不可少的部分，有助于將空氣和藥物泵入肺中。這些泵常常需要精準(zhǔn)、細(xì)微的電機(jī)控制，可以電動(dòng)操作。高微步進(jìn)青睞于步進(jìn)電機(jī)和雙路 H 橋驅(qū)動(dòng)器，例如 DRV8825 和 DRV8886AT。根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，電磁閥/閥和泵可連接到電流要求不同 12V、24V、36V 甚至48V的電源軌。

（3）電源樹架構(gòu)

長久以來，這些呼吸應(yīng)用一直在使用隔離交流/直流電源模塊為系統(tǒng)提供 12V、19V 或 24V 直流總線電壓。系統(tǒng)要么使用更高的直流總線電壓直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)和閥門，要么通過降壓轉(zhuǎn)換器降低 電壓。然而，隨著許多此類系統(tǒng)的市場趨向便攜性，它們將不得不采用電壓范圍估計(jì)為6-14V的電池供電。由于這種轉(zhuǎn)變，本參考設(shè)計(jì)定義的輸入電壓范圍為 6-28V。此外，便攜性趨勢意味著 關(guān)鍵系統(tǒng)要求包括高效率，以便實(shí)現(xiàn)更長的電池壽命。通常對于這些系統(tǒng)，需優(yōu)先解決方案尺寸，本參考設(shè)計(jì)中已考慮到這一點(diǎn)。

DRV8323RS 能夠在整個(gè)電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，因此 DRV8323RS 和 BLDC 電機(jī)直接連接到輸入電壓源。然而，電磁閥需要在單一直流電壓下工作，因此選用穩(wěn)定的12V電壓輸入后選用LM5122寬輸入 同步升壓控制器作為電源樹的第一級。因?yàn)橥娇刂破髦С诌x擇兩個(gè)開關(guān)MOSFE，故該器件配置為升壓至14V以涵蓋電池電壓范圍，還可獲得最高效率。此外，該器件還有外部電荷泵的獨(dú)特特 性，當(dāng)輸入電壓高于設(shè)定的輸出電壓時(shí)，可驅(qū)動(dòng)高側(cè) MOSFET。此模式稱為直通模式，允許功率有效地通過高側(cè) MOSFET而不改變輸入電壓。

值得注意的是，該器件在峰值電流模式控制下運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)。LMR33630是一款 3A 同步降壓轉(zhuǎn)換器，因其小巧高效而被選用。該器件已配置為從可能的14-28V輸入范圍降至12V，以 涵蓋其余輸入電壓范圍。設(shè)計(jì)中優(yōu)化了這兩個(gè)器件的放置，以展示各自的解決方案尺寸。

芯齊齊BOM分析

作為醫(yī)用設(shè)備，方案使用了DRV8323R智能柵極驅(qū)動(dòng)器和DRV8847電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共24顆芯片，實(shí)現(xiàn)了電池持續(xù)使用4-10小時(shí)的便捷式高效系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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芯齊齊BOM分析工具顯示，DRV8323RS是一款智能柵極三相BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，集成了三個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)用 于驅(qū)動(dòng)高側(cè)N溝道MOSFET的電荷泵和一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)低側(cè)N 溝道MOSFET的線性穩(wěn) 壓器。這些半橋由智能柵極驅(qū)動(dòng)架構(gòu)控制，該架構(gòu)能夠?yàn)镸OSFET柵極提供高達(dá)1A的拉電流和高達(dá)2A的灌電流，從而實(shí)現(xiàn)精確控制。智能柵極技術(shù)還允許電機(jī)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)地調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)輸出的 強(qiáng)度，從而優(yōu)化效率，并減少柵極驅(qū)動(dòng)電路所需的外部無源組件。除了柵極驅(qū)動(dòng)器，DRV8323RS還為三個(gè)相位分別集成了三個(gè)電流分流放大器，以實(shí)現(xiàn)過流保護(hù) (OCP)。DRV8323RS設(shè)置可通過 SPI進(jìn)行編程，而柵極驅(qū)動(dòng)器從MCU獲取PWM輸入。

DRV8847是雙路H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，能夠根據(jù)所用配置和所選設(shè)置驅(qū)動(dòng)單路BDC電機(jī)、雙路BDC電機(jī)、雙極步進(jìn)電機(jī)和電磁閥。該器件由四個(gè)帶有集成N溝道MOSFET的獨(dú)立半橋組成，每個(gè)MOSFET具有 1000m? 的RDS(ON)。根據(jù)DRV8847的配置，半橋可以作為獨(dú)立的 H 橋單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，也可以根據(jù)通過I2C或外部電阻器（取決于不同的電阻）選擇的設(shè)置。在為器件本身供電方面，DRV8847能夠采 用2.7-18V的輸入電壓范圍，并具有的睡眠模式，以實(shí)現(xiàn)高效設(shè)計(jì)。

TPS62840是一款最新的低電壓、低 IQ同步降壓直流/直流轉(zhuǎn)換器，其對高效率和小解決方案尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。TPS62840系列能夠承受1.8V至6.5V的輸入電壓，并降至0.8V至3.4V的輸出電壓。 根據(jù)所選器件的不同，使用外部電阻器從16個(gè)選項(xiàng)中選擇輸出電壓。為確保設(shè)計(jì)效率，器件中集成了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。因此，器件專門設(shè)計(jì)為與外部 2.2μH電感器和外部10μF電容器配合使用，以 實(shí)現(xiàn)報(bào)告中的±2% 輸出電壓精度規(guī)格。

TPS7A02是一款最新的低電壓、超低IQ低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)，其對解決方案大小和效率進(jìn)行了優(yōu)化。該系列器件能夠提供200mA的拉電流，對于3.3V輸出型號，其規(guī)定最大壓差為204mV。 TPS7A02提供三種可能的封裝選項(xiàng)，包括X2SON、DSBGA和SOT-23，其中，DSBGA最小，尺寸為0.65mm x 0.65mm，適用于對外 形要求最苛刻的應(yīng)用。

LM5122是一種寬輸入同步升壓(boost)控制器，能夠利用3-65V的輸入電壓范圍，其最大輸出電壓為100V。在本設(shè)計(jì)中，此器件用于將電池電平電壓升至14V，為DRV8847 IC和電磁閥預(yù)升壓。然 而，由于此設(shè)計(jì)的輸入電壓范圍最高為28V，故此升壓控制器的最大優(yōu)勢在于高效的旁路模式。如果輸入電壓等于或高于所設(shè)的輸出電壓，此器件則使用連接到輸入電壓的內(nèi)部電荷泵，以使串 聯(lián)MOSFET的柵極保持為高電平。這樣可實(shí)現(xiàn) LM5122的有效旁路，主要損耗來自MOSFET 的 RDS(ON)。

LMR33630是simple switcher 3A同步直流/直流降壓轉(zhuǎn)換器，其對解決方案大小和效率進(jìn)行了優(yōu)化。LMR33630還集成了大多數(shù)設(shè)置所需的大部分無源器件，從而實(shí)現(xiàn)了更小的解決方案尺寸。 然而，除了用于調(diào)節(jié)輸出電壓的外部電感器、輸入電容器、輸出電容器和反饋網(wǎng)絡(luò)，其確實(shí)需要Vcc電容器和自舉電容器。該器件采用HSOIC裝，尺寸為5mm x 4mm，或VQFN封裝，尺寸為3mm x ?2mm。

TMP1075溫度傳感器是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字溫度傳感器LM75或TMP75的更新替代產(chǎn)品。TMP1075采用SOIC和VSSOP封裝，與TMP75和LM75引腳對引腳兼容，輕松實(shí)現(xiàn)兼容性。該溫度傳感器的精度在較大范 圍內(nèi)為±11 oC，全溫度范圍內(nèi)的最大為±2 oC。除了尺寸和精度外，該器件對于具有精度范圍公差的許多應(yīng)用還是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案。

MSP430FR2155是功耗超低且成本低廉的設(shè)備中MSP430 MCU 超值系列的一部分，用于檢測和測量應(yīng)用。該器件集成了 12 通道、12 位 ADC，兩個(gè)增強(qiáng)型比較器和一個(gè) 32KB 非易失性FRAM。此 ?MSP430能夠在1.8V 至 3.6V的電源電壓下運(yùn)行，并優(yōu)化了低功耗模式，以降低功耗。處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)、該器件在3V輸入電壓下消耗 142μA/MHz，在待機(jī)模式時(shí)消耗 約1.43μA，關(guān)閉模式時(shí)則 消耗 42nA。除了低功耗外，內(nèi)部電壓基準(zhǔn)可縮小解決方案尺寸并精準(zhǔn)地讀取ADC數(shù)。

LM74700-Q1是一款低IQ、提供反向電池保護(hù)的理想二極管控制器，其驅(qū)動(dòng)外部N溝道MOSFET作為理想二極管整流器，以實(shí)現(xiàn)低功率損耗，并從輸入到輸出將壓降調(diào)整為20mV。LM74700-Q1最初是 針對汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的，其能夠在寬輸入電壓范圍（3.2V至65V）內(nèi)運(yùn)行，還能夠處理高達(dá)-65V的反向電壓。該器件還有一個(gè)啟用引腳，可用于從外部啟用和禁用LM74700-Q1，以便在內(nèi)部輸出電 壓和輸入電壓比較器之外進(jìn)行精準(zhǔn)控制。LM74700-Q1采用小型SOT-23封裝，可支持小型設(shè)計(jì)，但確實(shí)需要前面提到的外部 MOSFET。

CSD88584Q5DC是 一款40V半橋NexFET電源塊器件，將兩個(gè)N溝道功率MOSFET 集成到單個(gè)5mm x 6mm 封裝中，具有用于柵極驅(qū)動(dòng)信號的引腳和用于開關(guān)節(jié)點(diǎn)的檢測引腳。為了幫助緩解任何潛在 的熱問題，這些器件在頂部配置有裸露的金屬焊盤，金屬焊盤可連接到散熱器以實(shí)現(xiàn)最佳散熱。這些MOSFET還經(jīng)過優(yōu)化，可在5kHz至50kHz 的開關(guān)頻率（這是BLDC電機(jī)的典型開關(guān)頻率）之間 運(yùn)行。

CSD18543Q3A 是單個(gè) 60V N 溝道 NexFET 功率 MOSFET，其對解決方案尺寸和功率密度進(jìn)行了優(yōu)化。該器件采用 3.3mm x 3.3mm 封裝，RDS(ON) 低于 12m?，有助于限制功率損耗，并緩解潛 在的熱問題。該器件的最大連續(xù)電流為12A，是本設(shè)計(jì)中預(yù)期的輸入電流的兩倍。此器件的其他優(yōu)勢包括：額定脈沖漏極電流為156A，工作溫度范圍寬，高達(dá)150 oC。

CSD18532Q5B是單個(gè)60V N溝道NexFET功率 MOSFET，其對低功率損耗進(jìn)行了優(yōu)化，RDS(ON)僅為 2.5m?。選用該器件作為反極性MOSFET，與LM74700-Q1配合使用，因此功率損耗、電流額定值和 熱性能是選擇適當(dāng)器件時(shí)的關(guān)鍵指標(biāo)。此MOSFET的連續(xù)額定電流為23A，高于此設(shè)計(jì)中預(yù)期的峰值電流。該器件也采用 5mm x 6mm 封裝，對散熱性能進(jìn)行了優(yōu)化。除了這些規(guī)格外，還需要考 慮44nC 的總柵極電荷，因?yàn)檫@有助于確定MOSFET在檢測到反極性時(shí)能夠以多快的速度關(guān)閉。

TVS3301是雙向平緩鉗位浪涌保護(hù)器件，其功能與雙向 TVS二極管相同。該器件既能夠防止 IEC 61000-4-5浪涌電流和電壓波形，還能夠防止IEC61643-321波形。該器件的工作范圍為±33V， 在發(fā)生浪涌時(shí)可將電壓鉗位至最大40V，可能夠提供高達(dá) 27A的灌電流，這些是由 IEC 61000-4-5定義的。該器件的電容也較低，為54pF，這在信號鏈應(yīng)用中特別有用。與傳統(tǒng)TVS二極管相比 ，TVS3301導(dǎo)通狀態(tài)電阻明顯低于TVS二極管，封裝尺寸也明顯縮小。

TPD4E1U06是一款四通道、高速、單向ESD保護(hù)器件，能夠承受ESD事件和浪涌事件。該器件規(guī)定能夠承受IEC61000-4-2 4級ESD事件，其中包括±15kV接觸放電和 ±15kV氣隙放電。該器件還可承受IEC 61000-4-5中規(guī)定的3A浪涌，以及IEC 61000-4-4中規(guī)定的80A EFT事件。
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