Hvordan kan medicinsk udstyr beskytte deres batterier gennem dioder?

1, Kernebeskyttelsesmekanisme af dioder
1. Omvendt strømblokering: forhindrer batterikortslutning og energitab
Batteriudgangsterminalen på medicinske bærbare enheder (såsom smarte armbånd og kontinuerlige blodsukkermonitorer) skal strengt begrænse strømmens retning. Hvis strømmen løber omvendt på grund af kredsløbsfejl, kan det forårsage batterikortslutning, opvarmning eller endda eksplosion. På dette tidspunkt bliver Schottky-dioder (såsom SS14, SS110) det foretrukne valg til blokering af omvendt strøm på grund af deres lave fremadgående spændingsfald (0,2-0,3V) og hurtige koblingsegenskaber. Dens arbejdsprincip er:

Fremadledning: Når batteriet aflades normalt, er dioden i en tilstand med lav modstand, og strømmen passerer jævnt;
Omvendt cutoff: Hvis strømmen forsøger at flyde baglæns, går dioden hurtigt ind i en højimpedanstilstand, hvilket blokerer strømvejen.
For eksempel bruger en bestemt model af smart armbånd SS14 diode parallelt med batteriets udgangsterminal. I den omvendte strømtest blev strømmen med succes begrænset til under 0,1 μ A, langt under batterisikkerhedsgrænsen.

2. Overspændingsbeskyttelse: Undertrykk opladningsstød og ESD-påvirkninger
Medicinsk udstyr har strenge krav til elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), og opladningsgrænseflader eller menneskelig statisk elektricitet kan generere forbigående højspænding (op til tusindvis af volt), som kan trænge igennem batteristyringschips (BMS). Transiente spændingsundertrykkelsesdioder (TVS) såsom SMBJ5.0CA og SLESD5V0LED02 kan klemme spændingen til et sikkert område inden for ps tid gennem Zener-nedbrydningseffekten

Spændingsspænding: Når TVS-dioden oplever omvendt sammenbrud, begrænser den spændingen til en forudindstillet værdi (såsom at klemme dioden til 10V i et 5V-system);
Lav dynamisk modstand: Den typiske dynamiske modstand (RDYN) er under 0,5 Ω, hvilket sikrer kontrollerbart spændingsfald under høj strøm;
Lav krydskapacitans: For eksempel er krydskapacitansen for SLESD5V0LED02 kun 0,28pF for at undgå højfrekvent signalforvrængning.
En bærbar elektrokardiograf anvender SMBJ5.0CA diodebeskyttelses opladningsgrænseflade og modstår med succes 30A spidsstrømstød i IEC 61000-4-2 ESD-test uden nogen funktionelle abnormiteter.

3. Overopladnings-/overafladningsbeskyttelse: Forlæng batterilevetiden
Overcharging (voltage>4,2V) eller overafladning (spænding<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:

Overopladningsbeskyttelse: Når batterispændingen stiger til tærsklen, leder spændingsregulatordioden, hvilket udløser MOSFET'en til at afbryde ladekredsløbet;
Overafladningsbeskyttelse: Spændingen overvåges gennem en spændingsdelermodstand. Når spændingen er under den sikre værdi, leder spændingsregulatordioden, og det åbne kredsløb afbrydes.
Efter at have vedtaget denne løsning blev batterilevetiden for et bestemt mærke insulinpumpe øget fra 500 gange til over 2000 gange, og fejlprocenten blev reduceret med 80 %.

2, Typiske anvendelsesscenarier og kredsløbsdesign
1. Bærbar enheds opladningsgrænsefladebeskyttelse
Medicinske bærbare enheder (såsom smarte patches) bruger typisk mikro-USB eller magnetiske opladningsgrænseflader, som er modtagelige for ESD og overspænding. Under design skal TVS dioder forbindes parallelt på data/strømledningerne, for eksempel:

D1/D2:SMBJ5.0CA, Beskyt 5V netledningen;
D3/D4:SLESD5V0LED02, Beskyt datatransmissionslinjer (såsom I2C, SPI).
Denne type design sikrer, at udstyret stadig kan fungere stabilt i fugtige og svedige omgivelser og opfylder IEC 60601-1 medicinsk elektrisk sikkerhedsstandard.

2. Omvendt beskyttelse af batteripakken
I scenarier, hvor flere batterier er forbundet i serie (såsom defibrillatorer), kan det forårsage en kortslutning i hele batteripakken, hvis et batteri vendes om. På dette tidspunkt skal Schottky-dioder (såsom BAV21W) forbindes parallelt i begge ender af hvert batteri, med en omvendt modstå spænding på op til 200V og en fremadmodstandsspænding reduceret til 0,3V, hvilket ikke kun undgår energitab, men også forhindrer termisk løbegang forårsaget af omvendt forbindelse.

3. Standby-beskyttelse ved lav effekt
Medicinske bærbare enheder kræver lang-standby, og batteriets selvafladning og lækstrøm kan forkorte batteriets levetid. Ved at forbinde en diode med lav lækstrøm (såsom BAS70) i ​​serie med batteriudgangen, kan standby-strømmen reduceres fra 10 μ A til under 0,1 μ A, hvilket forlænger enhedens brugstid betydeligt.

3, Industriens tendenser og udfordringer
1. Anvendelse af materialer med bred båndgab
Galliumnitrid (GaN) baserede dioder er begyndt at blive anvendt i medicinske bærbare enheder på grund af deres høje frekvens- og effektivitetskarakteristika. For eksempel har GaN Schottky-dioder en 90 % kortere reverse recovery time (trr) end silicium-baserede enheder, hvilket kan reducere energitab i opladningskredsløb og forbedre enhedens udholdenhed.

2. Integreret design
For at reducere størrelsen af ​​enheden bliver dioder integreret med BMS-chips og strømstyringsenheder (PMU'er). For eksempel integrerer en enkelt-chipløsning lanceret af en bestemt producent TVS-dioder, spændingsregulatordioder og MOSFET'er i en 0,8 mm × 0,8 mm pakke for at imødekomme behovene for ultra små enheder såsom smarte ringe.

3. Balancer lavt strømforbrug og høj pålidelighed
Medicinsk udstyr er følsomt over for strømforbrug, men skal samtidig opfylde høje krav til pålidelighed. Fremtidige dioder skal bryde igennem i følgende retninger:

Lavere fremadgående spændingsfald: såsom at bruge Super Junction-teknologi til at reducere spændingsfaldet af Schottky-dioder til under 0,1V;
Højere omvendt modstå spænding: Udvikl mikrodioder med en modstå spænding på over 100V for at imødekomme behovene for høj-medicinsk udstyr;
Intelligent beskyttelsesfunktion: Kombinerer sensorer og algoritmer for dynamisk at justere diodeparametre og optimere beskyttelseseffekter.