Používá se dioda pro ochranu signálu ve vzdáleném lékařském zařízení?

1, Mechanismus ochrany hlavního signálu diod
1. ESD ochrana: Potlačuje statickou elektřinu
Dálkové lékařské přístroje, jako jsou přenosné elektrokardiografy a chytré náramky, jsou často ovládány lidským kontaktem a jsou náchylné ke hromadění elektrostatických nábojů. Když se rozhraní zařízení (jako je USB a bezdrátové nabíjecí moduly) dostanou do kontaktu s externími vodiči, statická elektřina může generovat desítky tisíc voltů přechodného vysokého napětí, které může prorazit kolíky čipu nebo obvody senzorů. Diody TVS (jako je SMBJ5.0CA) mohou pomocí Zenerova průrazného efektu (jako je upnutí 5V systému na 10V) upnout napětí do bezpečného rozsahu během doby ps s dynamickým odporem jen 0,5 Ω a mohou absorbovat několik kilowattů rázového výkonu. Například určitá značka inzulínové pumpy úspěšně prošla testem IEC 61000-4-2 ESD po použití diody TVS k ochraně nabíjecího rozhraní a funkce zařízení nebyla ovlivněna při 30A špičkovém proudovém rázu.

2. Omezení signálu: zabraňuje přetížení napětí
Vzdálené lékařské zařízení potřebuje vysílat fyziologické signály prostřednictvím bezdrátových modulů (jako je Bluetooth, Wi-Fi), ale přijímací konec antény může generovat napěťové špičky v důsledku rušení prostředí. Obyčejné diody (jako je 1N4148) lze použít ke konstrukci omezovacího obvodu, který omezuje napětí signálu v bezpečném rozsahu. Jeho pracovní princip je: když vstupní napětí překročí propustný úbytek napětí diody (asi 0,7 V), dioda vede a přebytečná energie se spotřebovává přes odpor děliče napětí, aby nedošlo k poškození následného obvodu (jako je převodník ADC) v důsledku přepětí. Například v zařízení pro monitorování saturace kyslíku v krvi může omezovací obvod zajistit, aby slabý signál (úroveň mV) na výstupu fotoelektrického senzoru nebyl ovlivněn vnějším rušením.

3. Blokování zpětného proudu: zajištění stability napájení
Dálkové lékařské zařízení často používá k napájení lithiové baterie. Pokud je baterie obrácená nebo nabíjecí obvod selže, může to způsobit rázy zpětného proudu. Schottkyho diody (jako je SS14) jsou preferovanou volbou pro blokování zpětného proudu kvůli jejich nízkému úbytku napětí v propustném směru (0,2-0,3 V) a rychlým spínacím charakteristikám. Například určitý model inteligentního defibrilátoru pro povrchovou montáž úspěšně omezil zpětný proud pod 0,1 μA po paralelním připojení diody SS14 na výstupní svorku baterie, hluboko pod bezpečnostním prahem baterie, čímž se výrazně prodloužila životnost zařízení.

2, Typické aplikační scénáře a návrh obvodů
1. ESD ochrana modulu bezdrátové komunikace
Bezdrátový modul vzdáleného lékařského zařízení (jako je Bluetooth, 4G/5G) musí splňovat normu odolnosti proti přepětí IEC 61000-4-5. Při návrhu je třeba diody TVS paralelně připojit k anténním rozhraním a linkám pro přenos dat (jako I2C, SPI). Například:

D1/D2:SMBJ5.0CA, Chraňte 5V napájecí kabel;
D3/D4: SLESD5V0LED02 (nízká přechodová kapacita 0,28pF), chrání datové přenosové linky.
Tento typ konstrukce zajišťuje, že zařízení může pracovat stabilně ve vlhkém a zapoceném prostředí a splňuje lékařské normy elektrické bezpečnosti, jako je IEC 60601-1.

2. Omezující ochrana obvodu sběru fyziologického signálu
Amplituda signálu elektrokardiogramu (EKG) je pouze 1-5 mV, což je citlivé na rušení napájecí frekvence (50 Hz) a elektrický šum svalů. Při navrhování by měl být omezovací obvod zapojen do série na konci vstupu signálu, například:

Dioda D1/D2:1N4148, tvořící obousměrný omezovač;
R1/R2:10k Ω odpor dělič napětí, omezující proud;
C1: 0,1 μF filtrační kondenzátor pro potlačení vysoko-frekvenčního šumu.
Tento obvod může omezit vstupní signál v rozsahu ± 0,7 V, což zajišťuje normální provoz následného zesilovače (jako je INA128).

3. Zpětná ochrana systému správy baterie
Nositelná vzdálená monitorovací zařízení (jako jsou chytré náramky) vyžadují dlouhodobý-pohotovostní režim a samovybíjení baterie a úniky z okruhu mohou zkrátit životnost baterie. Zapojením diody s nízkým svodovým proudem (jako je BAS70) do série na výstupu z baterie lze pohotovostní proud snížit z 10 μ A pod 0,1 μ A. Například poté, co určitá značka kontinuálního monitoru hladiny glukózy v krvi přijala toto řešení, se životnost baterie zařízení prodloužila ze 3 dnů na 10 dnů.

3, Průmyslové trendy a výzvy
1. Aplikace širokých bandgap materiálů
Diody na bázi nitridu galia (GaN) se začaly používat ve vzdálených lékařských 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 jednotkami správy napájení (PMU) a čipy BMS. 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
Dálkové 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 zpětné výdržné napětí: Vyvíjejte mikrodiody s výdržným napětím vyšším než 100 V, aby vyhovovaly potřebám vysoce-příkonů zařízení;
Inteligentní ochranná funkce: Kombinace senzorů a algoritmů pro dynamickou úpravu parametrů diod a optimalizaci ochranných účinků.