Jak mohou zdravotnická nositelná zařízení chránit své baterie prostřednictvím diod?

1, Mechanismus ochrany jádra diod
1. Blokování zpětného proudu: zabraňuje zkratu baterie a ztrátě energie
Výstupní svorka baterie lékařských nositelných zařízení (jako jsou chytré náramky a kontinuální monitory hladiny glukózy v krvi) musí přísně omezovat směr proudu. Pokud proud teče opačně kvůli poruše obvodu, může to způsobit zkrat baterie, zahřátí nebo dokonce výbuch. V tomto okamžiku se Schottkyho diody (jako SS14, SS110) stávají preferovanou volbou pro blokování zpětného proudu kvůli jejich nízkému poklesu napětí v propustném směru (0,2-0,3 V) a rychlé spínací charakteristiky. Jeho pracovní princip je:

Dopředné vedení: Když je baterie normálně vybitá, dioda je ve stavu nízkého odporu a proud prochází hladce;
Reverzní cutoff: Pokud se proud pokusí protékat obráceně, dioda rychle přejde do stavu vysoké impedance a zablokuje cestu proudu.
Například určitý model chytrého náramku používá diodu SS14 paralelně s výstupní svorkou baterie. V testu zpětného proudu byl proud úspěšně omezen pod 0,1 μA, což je hluboko pod bezpečnostním prahem baterie.

2. Přepěťová ochrana: Potlačuje nabíjecí rázy a ESD nárazy
Lékařské vybavení má přísné požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) a nabíjecí rozhraní nebo lidská statická elektřina mohou generovat přechodné vysoké napětí (až tisíce voltů), které může proniknout do čipů pro správu baterií (BMS). Diody potlačující přechodové napětí (TVS), jako jsou SMBJ5.0CA a SLESD5V0LED02, mohou pomocí Zenerova průrazného efektu stlačit napětí do bezpečného rozsahu v ps času

Upínací napětí: Když dioda TVS zaznamená reverzní průraz, omezí napětí na přednastavenou hodnotu (jako je upnutí diody na 10 V v 5V systému);
Nízký dynamický odpor: Typický dynamický odpor (RDYN) je pod 0,5 Ω, což zajišťuje řiditelný pokles napětí při vysokém proudu;
Nízká kapacita přechodu: Například kapacita přechodu SLESD5V0LED02 je pouze 0,28 pF, aby se zabránilo zkreslení vysokofrekvenčního signálu.
Přenosný elektrokardiograf využívá nabíjecí rozhraní pro ochranu diod SMBJ5.0CA a úspěšně odolává 30A špičkovým proudovým rázům v testu IEC 61000-4-2 ESD bez jakýchkoli funkčních abnormalit.

3. Ochrana proti přebití/nadměrnému vybití: Prodlužte životnost baterie
Overcharging (voltage>4,2V) nebo přebití (napětí<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:

Ochrana proti přebití: Když napětí baterie stoupne na prahovou hodnotu, dioda regulátoru napětí vede a spustí MOSFET, aby přerušil nabíjecí obvod;
Ochrana proti nadměrnému vybití: Napětí je monitorováno přes odpor děliče napětí. Když je napětí pod bezpečnou hodnotou, dioda regulátoru napětí vede a přerušený obvod se odpojí.
Po přijetí tohoto řešení se životnost baterie určité značky inzulínové pumpy zvýšila z 500krát na více než 2000krát a četnost selhání se snížila o 80 %.

2, Typické aplikační scénáře a návrh obvodů
1. Ochrana rozhraní nabíjení nositelného zařízení
Lékařská nositelná zařízení (jako jsou chytré náplasti) obvykle používají rozhraní micro USB nebo magnetická nabíjecí rozhraní, která jsou citlivá na ESD a přepětí. Při návrhu je třeba diody TVS zapojit paralelně na datové/napájecí vedení, například:

D1/D2:SMBJ5.0CA, Chraňte 5V napájecí kabel;
D3/D4:SLESD5V0LED02, Chrání datové přenosové linky (jako I2C, SPI).
Tento typ konstrukce zajišťuje, že zařízení může stále pracovat stabilně ve vlhkém a zapoceném prostředí a splňuje normu lékařské elektrické bezpečnosti IEC 60601-1.

2. Reverzní ochrana baterie
Ve scénářích, kde je více baterií zapojeno do série (jako jsou defibrilátory), může při obrácení jedné baterie dojít ke zkratu v celé baterii. V tuto chvíli je třeba Schottkyho diody (jako je BAV21W) zapojit paralelně na obou koncích každé baterie, se zpětným výdržným napětím až 200 V a dopředným výdržným napětím sníženým na 0,3 V, což nejen zabraňuje ztrátě energie, ale také zabraňuje tepelnému úniku způsobenému zpětným zapojením.

3. Nízká spotřeba v pohotovostním režimu
Lékařská nositelná zařízení vyžadují dlouhodobý{0}}pohotovostní režim a samovybíjení baterie a svodový proud z obvodu mohou zkrátit životnost baterie. Zapojením diody s nízkým svodovým proudem (jako je BAS70) do série s výstupem baterie lze pohotovostní proud snížit z 10 μA na méně než 0,1 μA, čímž se výrazně prodlouží doba používání zařízení.

3, Průmyslové trendy a výzvy
1. Aplikace širokých bandgap materiálů
Diody na bázi nitridu galia (GaN) se začaly používat v lékařských nositelných zařízeních kvůli jejich vysoké frekvenci a účinnosti. Například diody GaN Schottky mají o 90 % kratší dobu zpětného zotavení (trr) než zařízení na bázi křemíku-, což může snížit energetické ztráty v nabíjecích obvodech a zlepšit výdrž zařízení.

2. Integrovaný design
Aby se zmenšila velikost zařízení, jsou diody integrovány s čipy BMS a jednotkami správy napájení (PMU). Například řešení s jedním čipem, které uvedl na trh určitý výrobce, integruje diody TVS, diody regulátoru napětí a MOSFETy do balíčku o rozměrech 0,8 mm × 0,8 mm, aby vyhovovaly potřebám velmi malých zařízení, jako jsou chytré prsteny.

3. Vyvažte nízkou spotřebu energie a vysokou spolehlivost
Lékařské vybavení je citlivé na spotřebu energie, ale zároveň musí splňovat vysoké požadavky na spolehlivost. Budoucí diody musí prorazit v následujících směrech:

Nižší pokles napětí v propustném směru: například použití technologie Super Junction ke snížení poklesu napětí Schottkyho diod pod 0,1 V;
Vyšší reverzní výdržné napětí: Vyvíjejte mikrodiody s výdržným napětím vyšším než 100 V, aby vyhovovaly potřebám vysoce-zdravotnických zařízení;
Inteligentní ochranná funkce: Kombinace senzorů a algoritmů pro dynamickou úpravu parametrů diod a optimalizaci ochranných účinků.