Kā medicīniskās valkājamās ierīces var aizsargāt savas baterijas, izmantojot diodes?

1, diožu serdes aizsardzības mehānisms
1. Reversās strāvas bloķēšana: novērš akumulatora īssavienojumu un enerģijas zudumus
Medicīnisko valkājamo ierīču (piemēram, viedās rokassprādzes un nepārtrauktas glikozes līmeņa mērīšanas ierīces) akumulatora izvades spailei ir stingri jāierobežo strāvas virziens. Ja strāva plūst pretējā virzienā ķēdes atteices dēļ, tas var izraisīt akumulatora īssavienojumu, uzkaršanu vai pat eksploziju. Šajā brīdī Šotkija diodes (piemēram, SS14, SS110) kļūst par vēlamo izvēli reversās strāvas bloķēšanai, jo tām ir zems tiešā sprieguma kritums (0,2–0,3 V) un ātras pārslēgšanas īpašības. Tās darbības princips ir šāds:

Uz priekšu vadītspēja: kad akumulators ir normāli izlādējies, diode ir zemas pretestības stāvoklī un strāva iet vienmērīgi;
Apgrieztā nogriešana: ja strāva mēģina plūst pretējā virzienā, diode ātri nonāk augstas pretestības stāvoklī, bloķējot strāvas ceļu.
Piemēram, noteikta modeļa viedās rokassprādzes paralēli akumulatora izejas spailei tiek izmantota SS14 diode. Apgrieztās strāvas testā strāva tika veiksmīgi ierobežota līdz 0,1 μA, kas ir daudz zem akumulatora drošības sliekšņa.

2. Aizsardzība pret pārspriegumu: nomāc uzlādes pārspriegumu un ESD triecienus
Medicīniskajām iekārtām ir stingras prasības attiecībā uz elektromagnētisko saderību (EMC), un uzlādes saskarnes vai cilvēka statiskā elektrība var radīt pārejošu augstspriegumu (līdz pat tūkstošiem voltu), kas var iekļūt akumulatora pārvaldības mikroshēmās (BMS). Pārejošas sprieguma slāpēšanas diodes (TVS), piemēram, SMBJ5.0CA un SLESD5V0LED02, var nodrošināt spriegumu drošā diapazonā ps laikā, izmantojot Zenera sabrukšanas efektu.

Iespīlēšanas spriegums: kad TVS diode piedzīvo apgrieztu bojājumu, tā ierobežo spriegumu līdz iepriekš iestatītai vērtībai (piemēram, nospiežot diode līdz 10 V 5 V sistēmā);
Zema dinamiskā pretestība: tipiskā dinamiskā pretestība (RDYN) ir zem 0,5 Ω, nodrošinot kontrolējamu sprieguma kritumu pie lielas strāvas;
Zema savienojuma kapacitāte: piemēram, SLESD5V0LED02 savienojuma kapacitāte ir tikai 0,28 pF, lai izvairītos no augstas-frekvences signāla kropļojumiem.
Pārnēsājams elektrokardiogrāfs izmanto SMBJ5.0CA diodes aizsardzības uzlādes interfeisu un veiksmīgi iztur 30A maksimālo strāvas pārspriegumu IEC 61000-4-2 ESD testā bez funkcionālām novirzēm.

3. Aizsardzība pret pārlādēšanu/pārmērīgu izlādi: pagariniet akumulatora darbības laiku
Overcharging (voltage>4,2 V) vai pārlādēšana (spriegums<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:

Aizsardzība pret pārlādēšanu: kad akumulatora spriegums paaugstinās līdz slieksnim, sprieguma regulatora diode vada, iedarbinot MOSFET, lai pārtrauktu uzlādes ķēdi;
Aizsardzība pret pārmērīgu izlādi: spriegumu uzrauga ar sprieguma dalītāja rezistoru. Kad spriegums ir zem drošās vērtības, sprieguma regulatora diode vada un atvērtā ķēde tiek atvienota.
Pēc šī risinājuma ieviešanas noteikta zīmola insulīna sūkņa akumulatora darbības laiks tika palielināts no 500 reizēm līdz vairāk nekā 2000 reizēm, un atteices līmenis tika samazināts par 80%.

2, tipiski pielietojuma scenāriji un shēmas dizains
1. Valkājamas ierīces uzlādes saskarnes aizsardzība
Medicīniskās valkājamās ierīces (piemēram, viedie ielāpi) parasti izmanto mikro USB vai magnētiskās uzlādes saskarnes, kas ir jutīgas pret ESD un pārsprieguma spriegumu. Projektēšanas laikā TVS diodes ir jāpievieno paralēli datu/elektrības līnijām, piemēram:

D1/D2:SMBJ5.0CA, aizsargājiet 5V strāvas vadu;
D3/D4:SLESD5V0LED02, aizsargājiet datu pārraides līnijas (piemēram, I2C, SPI).
Šāda veida konstrukcija nodrošina, ka iekārta joprojām var stabili darboties mitrā un sviedru vidē, kas atbilst IEC 60601-1 medicīniskās elektriskās drošības standartam.

2. Akumulatora bloka pretēja aizsardzība
Gadījumos, kad virknē ir pievienotas vairākas baterijas (piemēram, defibrilatori), ja viens akumulators tiek apgriezts otrādi, tas var izraisīt īssavienojumu visā akumulatoru komplektā. Šobrīd Šotkija diodes (piemēram, BAV21W) ir jāsavieno paralēli katra akumulatora abos galos ar pretestības pretestības spriegumu līdz 200 V un uz priekšu pretestības spriegumu, kas jāsamazina līdz 0,3 V, kas ne tikai novērš enerģijas zudumus, bet arī novērš termisku aizbēgšanu, ko izraisa reversais savienojums.

3. Mazjaudas gaidstāves aizsardzība
Medicīniskām valkājamām ierīcēm ir nepieciešams ilgs{0}}gaidīšanas režīms, un akumulatora pašizlāde un ķēdes noplūdes strāva var saīsināt akumulatora darbības laiku. Savienojot zemas noplūdes strāvas diodi (piemēram, BAS70) virknē ar akumulatora izvadi, gaidstāves strāvu var samazināt no 10 μA līdz zem 0,1 μA, ievērojami pagarinot ierīces lietošanas laiku.

3, nozares tendences un izaicinājumi
1. Plašas joslas materiālu pielietojums
Diodes uz gallija nitrīda (GaN) bāzes ir sāktas izmantot valkājamās medicīnas ierīcēs to augstās frekvences un efektivitātes īpašību dēļ. Piemēram, GaN Schottky diodēm ir par 90% īsāks reversās atkopšanas laiks (trr) nekā ierīcēm, kuru pamatā ir silīcijs{2}}, kas var samazināt enerģijas zudumus uzlādes ķēdēs un uzlabot ierīces izturību.

2. Integrēts dizains
Lai samazinātu ierīces izmēru, diodes tiek integrētas ar BMS mikroshēmām un jaudas pārvaldības vienībām (PMU). Piemēram, viena -mikroshēma, ko izlaidis noteikts ražotājs, integrē TVS diodes, sprieguma regulatoru diodes un MOSFET 0,8 mm × 0,8 mm pakotnē, lai apmierinātu īpaši mazu ierīču, piemēram, viedo gredzenu, vajadzības.

3. Līdzsvarojiet zemu enerģijas patēriņu un augstu uzticamību
Medicīnas iekārtas ir jutīgas pret enerģijas patēriņu, bet tajā pašā laikā tām ir jāatbilst augstām uzticamības prasībām. Nākotnes diodēm ir jāizlaužas šādos virzienos:

Zemāks tiešā sprieguma kritums: piemēram, izmantojot Super Junction tehnoloģiju, lai samazinātu Schottky diožu sprieguma kritumu līdz 0,1 V;
Augstāks reversās pretestības spriegums: izstrādājiet mikrodiodes, kuru izturības spriegums pārsniedz 100 V, lai apmierinātu lieljaudas medicīniskā aprīkojuma vajadzības;
Inteliģenta aizsardzības funkcija: sensoru un algoritmu apvienošana, lai dinamiski pielāgotu diodes parametrus un optimizētu aizsardzības efektus.