چگونه دستگاه های پوشیدنی پزشکی می توانند از باتری های خود از طریق دیود محافظت کنند؟

1، مکانیسم حفاظت از هسته دیودها
1. مسدود کردن جریان معکوس: از اتصال کوتاه باتری و اتلاف انرژی جلوگیری می کند
ترمینال خروجی باتری دستگاه های پوشیدنی پزشکی (مانند دستبندهای هوشمند و مانیتورهای مداوم قند خون) باید به شدت جهت جریان را محدود کند. اگر جریان به دلیل خرابی مدار معکوس شود، ممکن است باعث اتصال کوتاه باتری، گرم شدن یا حتی انفجار شود. در این مرحله، دیودهای شاتکی (مانند SS14، SS110) به دلیل افت ولتاژ رو به جلو کم (0.2-0.3V) و ویژگی های سوئیچینگ سریع، به انتخاب ترجیحی برای مسدود کردن جریان معکوس تبدیل می شوند. اصل کار آن این است:

هدایت رو به جلو: هنگامی که باتری به طور معمول تخلیه می شود، دیود در حالت مقاومت کم قرار دارد و جریان به آرامی عبور می کند.
قطع معکوس: اگر جریان بخواهد به صورت معکوس جریان یابد، دیود به سرعت وارد حالت امپدانس بالا شده و مسیر جریان را مسدود می کند.
به عنوان مثال، مدل خاصی از دستبند هوشمند از دیود SS14 به موازات ترمینال خروجی باتری استفاده می کند. در آزمایش جریان معکوس، جریان با موفقیت به کمتر از 0.1 μA، بسیار کمتر از آستانه ایمنی باتری محدود شد.

2. حفاظت از اضافه ولتاژ: سرکوب نوسانات شارژ و اثرات ESD
تجهیزات پزشکی دارای الزامات سختگیرانه ای برای سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) هستند و رابط های شارژ یا الکتریسیته ساکن انسان ممکن است ولتاژ بالا گذرا (تا هزاران ولت) ایجاد کند که می تواند به تراشه های مدیریت باتری (BMS) نفوذ کند. دیودهای سرکوب ولتاژ گذرا (TVS) مانند SMBJ5.0CA و SLESD5V0LED02 می توانند ولتاژ را در مدت زمان ps از طریق اثر شکست زنر به محدوده ایمن برسانند.

ولتاژ بستن: هنگامی که دیود TVS دچار خرابی معکوس می شود، ولتاژ را به مقدار از پیش تعیین شده محدود می کند (مانند بستن دیود به 10 ولت در سیستم 5 ولت).
مقاومت دینامیکی کم: مقاومت دینامیکی معمولی (RDYN) کمتر از 0.5 Ω است که افت ولتاژ قابل کنترل تحت جریان بالا را تضمین می کند.
ظرفیت اتصال کم: برای مثال، ظرفیت اتصال SLESD5V0LED02 تنها 0.28pF است تا از اعوجاج سیگنال فرکانس بالا جلوگیری شود.
یک الکتروکاردیوگراف قابل حمل از رابط شارژ دیود حفاظتی SMBJ5.0CA استفاده می کند و با موفقیت در تست IEC 61000-4-2 ESD نوسان جریان اوج 30 آمپر را بدون هیچ گونه ناهنجاری عملکردی تحمل می کند.

3. حفاظت از شارژ/تخلیه بیش از حد: عمر چرخه باتری را افزایش دهید
Overcharging (voltage>4.2 ولت) یا تخلیه بیش از حد (ولتاژ).<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:

محافظت در برابر شارژ بیش از حد: هنگامی که ولتاژ باتری به آستانه افزایش می یابد، دیود تنظیم کننده ولتاژ هدایت می شود و ماسفت را تحریک می کند تا مدار شارژ را قطع کند.
حفاظت از تخلیه بیش از حد: ولتاژ از طریق یک مقاومت تقسیم کننده ولتاژ نظارت می شود. هنگامی که ولتاژ کمتر از مقدار مطمئن است، دیود تنظیم کننده ولتاژ هدایت می شود و مدار باز قطع می شود.
پس از اتخاذ این راه حل، عمر چرخه باتری یک مارک خاص از پمپ انسولین از 500 برابر به بیش از 2000 برابر افزایش یافت و میزان خرابی 80٪ کاهش یافت.

2، سناریوهای کاربردی معمولی و طراحی مدار
1. حفاظت از رابط شارژ دستگاه پوشیدنی
دستگاه‌های پوشیدنی پزشکی (مانند وصله‌های هوشمند) معمولاً از رابط‌های شارژ میکرو USB یا مغناطیسی استفاده می‌کنند که در برابر ESD و ولتاژ نوسانی حساس هستند. در طول طراحی، دیودهای TVS باید به صورت موازی روی خطوط داده/برق متصل شوند، به عنوان مثال:

D1/D2:SMBJ5.0CA، از سیم برق 5 ولت محافظت کنید.
D3/D4:SLESD5V0LED02، محافظت از خطوط انتقال داده (مانند I2C، SPI).
این نوع طراحی تضمین می‌کند که تجهیزات همچنان می‌توانند به طور پایدار در محیط‌های مرطوب و عرق‌ریز عمل کنند و استاندارد ایمنی الکتریکی پزشکی IEC 60601-1 را رعایت کنند.

2. حفاظت معکوس از بسته باتری
در سناریوهایی که چندین باتری به صورت سری وصل شده اند (مانند دفیبریلاتورها)، اگر یک باتری معکوس شود، ممکن است باعث اتصال کوتاه در کل بسته باتری شود. در این زمان، دیودهای شاتکی (مانند BAV21W) باید به صورت موازی در هر دو انتهای هر باتری، با ولتاژ مقاومت معکوس تا 200 ولت و ولتاژ مقاومت رو به جلو کاهش یافته به 0.3 ولت، که نه تنها از اتلاف انرژی جلوگیری می کند، بلکه از فرار حرارتی ناشی از اتصال معکوس نیز جلوگیری می کند.

3. حفاظت در حالت آماده به کار کم مصرف
دستگاه‌های پوشیدنی پزشکی به حالت آماده به کار طولانی‌مدت نیاز دارند و تخلیه خود باتری و جریان نشتی مدار ممکن است عمر باتری را کوتاه کند. با اتصال یک دیود جریان نشتی کم (مانند BAS70) به صورت سری به خروجی باتری، جریان آماده به کار را می توان از 10 μ A به کمتر از 0.1 میکرو آمپر کاهش داد و زمان استفاده از دستگاه را به میزان قابل توجهی افزایش داد.

3، روندها و چالش های صنعت
1. استفاده از مواد باندگپ گسترده
دیودهای مبتنی بر نیترید گالیوم (GaN) به دلیل فرکانس و ویژگی‌های کارایی بالا، شروع به استفاده در دستگاه‌های پوشیدنی پزشکی کرده‌اند. برای مثال، دیودهای GaN Schottky نسبت به دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون 90٪ زمان بازیابی معکوس (trr) کوتاه‌تری دارند که می‌تواند اتلاف انرژی در مدارهای شارژ را کاهش دهد و استقامت دستگاه را بهبود بخشد.

2. طراحی یکپارچه
برای کاهش اندازه دستگاه، دیودها با تراشه‌های BMS و واحدهای مدیریت توان (PMU) یکپارچه می‌شوند. به عنوان مثال، یک راه‌حل تراشه واحد که توسط یک سازنده خاص راه‌اندازی شده است، دیودهای TVS، دیودهای تنظیم‌کننده ولتاژ و ماسفت‌ها را در یک بسته 0.8 × 0.8 میلی‌متری ادغام می‌کند تا نیازهای دستگاه‌های بسیار کوچک مانند حلقه‌های هوشمند را برآورده کند.

3. مصرف برق کم و قابلیت اطمینان بالا را متعادل کنید
تجهیزات پزشکی نسبت به مصرف برق حساس هستند، اما در عین حال باید الزامات قابلیت اطمینان بالایی را برآورده کنند. دیودهای آینده باید در جهت های زیر نفوذ کنند:

افت ولتاژ رو به جلو پایین تر: مانند استفاده از فناوری Super Junction برای کاهش افت ولتاژ دیودهای شاتکی به زیر 0.1 ولت.
ولتاژ مقاومت معکوس بالاتر: میکرو دیودهایی با ولتاژ تحمل بیش از 100 ولت ایجاد کنید تا نیازهای-تجهیزات پزشکی با قدرت بالا را برآورده کنند.
عملکرد حفاظت هوشمند: ترکیب سنسورها و الگوریتم ها برای تنظیم پویا پارامترهای دیود و بهینه سازی اثرات حفاظتی.