Kuidas saavad meditsiinilised kantavad seadmed oma akusid dioodide kaudu kaitsta?

1, dioodide südamiku kaitsemehhanism
1. Pöördvoolu blokeerimine: hoiab ära aku lühise ja energiakadu
Kantavate meditsiiniseadmete (nt nutikad käevõrud ja pidevad veresuhkru monitorid) aku väljundklemm peab voolu suunda rangelt piirama. Kui vool voolab vooluahela rikke tõttu vastupidises suunas, võib see põhjustada aku lühise, kuumenemise või isegi plahvatuse. Siinkohal muutuvad Schottky dioodid (nagu SS14, SS110) eelistatud valikuks pöördvoolu blokeerimiseks, kuna neil on madal päripinge langus (0,2–0,3 V) ja kiired lülitusomadused. Selle tööpõhimõte on järgmine:

Edasijuhtivus: kui aku tühjeneb normaalselt, on diood madala takistusega olekus ja vool kulgeb sujuvalt;
Vastupidine katkestus: kui vool üritab voolata vastupidises suunas, läheb diood kiiresti kõrge takistusega olekusse, blokeerides voolutee.
Näiteks teatud nutika käevõru mudeli puhul kasutatakse paralleelselt aku väljundklemmiga SS14 dioodi. Pöördvoolu testis piirati vool edukalt alla 0,1 μA, mis on palju alla aku ohutusläve.

2. Ülepingekaitse: summutage laadimispingeid ja ESD-lööke
Meditsiiniseadmetel on elektromagnetilise ühilduvuse (EMC) suhtes ranged nõuded ning laadimisliidesed või inimese staatiline elekter võivad tekitada mööduvat kõrget pinget (kuni tuhandeid volte), mis võivad tungida läbi akuhalduskiipide (BMS). Transientsed pinge summutamise dioodid (TVS), nagu SMBJ5.0CA ja SLESD5V0LED02, suudavad Zeneri läbilöögiefekti abil pinge ps-i jooksul ohutusse vahemikku kinnitada.

Kinnituspinge: kui TVS-diood kogeb vastupidist riket, piirab see pinget eelseadistatud väärtuseni (nt dioodi kinnitamine 10 V peale 5 V süsteemis);
Madal dünaamiline takistus: tüüpiline dünaamiline takistus (RDYN) on alla 0,5 Ω, tagades kontrollitava pingelanguse suure voolu korral;
Madal ristmiku mahtuvus: näiteks SLESD5V0LED02 ristmiku mahtuvus on ainult 0,28 pF, et vältida kõrge sagedusega signaali moonutusi.
Kaasaskantav elektrokardiograaf kasutab laadimisliidese SMBJ5.0CA dioodkaitset ja peab edukalt vastu 30A tippvoolule IEC 61000-4-2 ESD testis ilma funktsionaalsete kõrvalekalleteta.

3. Ülelaadimise/ülelaadimise kaitse: pikendage aku tööiga
Overcharging (voltage>4,2 V) või ülelaadimine (pinge<2.5V) of lithium-ion batteries can accelerate electrode material aging and even cause thermal runaway. Zener diodes (such as BZX85C series) can be used in conjunction with MOSFETs to construct precision protection circuits:

Ülelaadimiskaitse: kui aku pinge tõuseb läviväärtuseni, juhib pingeregulaatori diood, käivitades MOSFETi laadimisahela katkestamiseks;
Ülelaadimise kaitse: pinget jälgitakse pingejaguri takisti kaudu. Kui pinge on alla ohutu väärtuse, juhib pingeregulaatori diood ja avatud vooluahel katkestatakse.
Pärast selle lahenduse kasutuselevõttu pikendati teatud kaubamärgi insuliinipumba aku tööiga 500 korda rohkem kui 2000 korda ja rikete määr vähenes 80%.

2, tüüpilised rakendusstsenaariumid ja vooluringi disain
1. Kantava seadme laadimisliidese kaitse
Kantavad meditsiiniseadmed (nt nutikad plaastrid) kasutavad tavaliselt mikro-USB- või magnetlaadimisliideseid, mis on vastuvõtlikud ESD-le ja liigpingele. Projekteerimise ajal tuleb TVS-dioodid andme-/toiteliinidele paralleelselt ühendada, näiteks:

D1/D2:SMBJ5.0CA, kaitske 5 V toitejuhet;
D3/D4:SLESD5V0LED02, kaitske andmeedastusliine (nt I2C, SPI).
Seda tüüpi konstruktsioon tagab, et seadmed võivad endiselt stabiilselt töötada niiskes ja higises keskkonnas, vastates IEC 60601-1 meditsiinilise elektriohutuse standardile.

2. Aku tagurpidi kaitse
Stsenaariumides, kus mitu akut on järjestikku ühendatud (nt defibrillaatorid), võib ühe aku ümberpööramine põhjustada lühise kogu akuplokis. Praegu tuleb Schottky dioodid (nt BAV21W) ühendada paralleelselt iga aku mõlemas otsas, kuni 200 V tagurpidi vastupidavuspinge ja 0,3 V-ni vähendatud pärivastupidavuspinge, mis mitte ainult ei väldi energiakadu, vaid hoiab ära ka pöördühendusest põhjustatud termilise äravoolu.

3. Madala võimsusega ooterežiimi kaitse
Kantavad meditsiiniseadmed vajavad pikaajalist-ooterežiimi ning aku isetühjenemine ja vooluringi lekkevool võivad aku tööiga lühendada. Ühendades aku väljundiga järjestikku väikese lekkevoolu dioodi (näiteks BAS70), saab ooterežiimi voolu vähendada 10 μA-lt alla 0,1 μA, pikendades oluliselt seadme kasutusaega.

3. Tööstuse suundumused ja väljakutsed
1. Laia ribalaiusega materjalide kasutamine
Galliumnitriidil (GaN) põhinevaid dioode on hakatud kasutama kantavates meditsiiniseadmetes nende kõrge sageduse ja tõhususe omaduste tõttu. Näiteks GaN Schottky dioodidel on 90% lühem tagurpidi taastumisaeg (trr) kui räni-põhistel seadmetel, mis võib vähendada energiakadu laadimisahelates ja parandada seadme vastupidavust.

2. Integreeritud disain
Seadme suuruse vähendamiseks integreeritakse dioodid BMS-kiipide ja toitehaldusüksustega (PMU). Näiteks integreerib teatud tootja ühe-kiibi lahendus TVS-dioodid, pingeregulaatori dioodid ja MOSFET-id 0,8 mm × 0,8 mm paketti, et rahuldada üliväikeste seadmete, näiteks nutikate rõngaste vajadusi.

3. Tasakaalutage madal energiatarve ja kõrge töökindlus
Meditsiiniseadmed on tundlikud energiatarbimise suhtes, kuid peavad samal ajal vastama kõrgetele töökindlusnõuetele. Tulevased dioodid peavad läbi murdma järgmistes suundades:

Madalam päripinge langus: näiteks Super Junctioni tehnoloogia kasutamine Schottky dioodide pingelanguse vähendamiseks alla 0,1 V;
Kõrgem vastupidine vastupidavuspinge: suure võimsusega meditsiiniseadmete vajaduste rahuldamiseks töötage välja mikrodioodid, mille vastupidavuspinge on üle 100 V;
Arukas kaitsefunktsioon: andurite ja algoritmide kombineerimine dioodi parameetrite dünaamiliseks reguleerimiseks ja kaitseefektide optimeerimiseks.