آیا از دیود برای حفاظت سیگنال در تجهیزات پزشکی از راه دور استفاده می شود؟

1، مکانیسم حفاظت از سیگنال اصلی دیودها
1. حفاظت ESD: سرکوب اثر الکتریسیته ساکن
دستگاه‌های پزشکی از راه دور، مانند الکتروکاردیوگراف‌های قابل حمل و مچ‌بندهای هوشمند، اغلب از طریق تماس با انسان کار می‌کنند و مستعد تجمع بارهای الکترواستاتیکی هستند. هنگامی که رابط‌های دستگاه (مانند USB و ماژول‌های شارژ بی‌سیم) با هادی‌های خارجی تماس پیدا می‌کنند، الکتریسیته ساکن ممکن است ده‌ها هزار ولت ولتاژ بالا گذرا ایجاد کند که می‌تواند از پین‌های تراشه یا مدارهای حسگر عبور کند. دیودهای TVS (مانند SMBJ5.0CA) می توانند ولتاژ را در مدت ps از طریق اثر خرابی زنر (مانند بستن سیستم 5 ولت به 10 ولت)، با مقاومت دینامیکی کمتر از 0.5 Ω، به محدوده ایمن در زمان ps ببندند و می توانند چندین کیلووات برق موج را جذب کنند. به عنوان مثال، یک مارک خاص از پمپ انسولین پس از استفاده از دیود TVS برای محافظت از رابط شارژ، تست IEC 61000-4-2 ESD را با موفقیت پشت سر گذاشت و عملکرد دستگاه تحت اوج جریان 30A تحت تاثیر قرار نگرفت.

2. محدود کردن سیگنال: جلوگیری از اضافه بار ولتاژ
تجهیزات پزشکی از راه دور نیاز به انتقال سیگنال های فیزیولوژیکی از طریق ماژول های بی سیم (مانند بلوتوث، وای فای) دارند، اما انتهای گیرنده آنتن ممکن است به دلیل تداخل محیطی، ولتاژ بالا ایجاد کند. از دیودهای معمولی (مانند 1N4148) می توان برای ساخت یک مدار محدود کننده استفاده کرد که ولتاژ سیگنال را در محدوده ایمن محدود می کند. اصل کار آن این است: زمانی که ولتاژ ورودی از افت ولتاژ پیشروی دیود (حدود 0.7 ولت) فراتر رود، دیود هدایت می شود و انرژی اضافی از طریق مقاومت تقسیم کننده ولتاژ مصرف می شود تا از آسیب به مدار بعدی (مانند مبدل ADC) به دلیل اضافه ولتاژ جلوگیری شود. به عنوان مثال، در تجهیزات نظارت بر اشباع اکسیژن خون، یک مدار محدود کننده می تواند اطمینان حاصل کند که سیگنال ضعیف (سطح mV) خروجی سنسور فوتوالکتریک تحت تأثیر تداخل خارجی قرار نمی گیرد.

3. مسدود کردن جریان معکوس: اطمینان از پایداری منبع تغذیه
تجهیزات پزشکی از راه دور اغلب از باتری های لیتیومی برای تامین برق استفاده می کنند. اگر باتری معکوس شود یا مدار شارژ از کار بیفتد، ممکن است باعث افزایش جریان معکوس شود. دیودهای شاتکی (مانند SS14) به دلیل افت ولتاژ رو به جلو کم (0.2-0.3V) و ویژگی های کلیدزنی سریع، انتخاب ارجح برای مسدود کردن جریان معکوس هستند. به عنوان مثال، یک مدل خاص از دفیبریلاتور نصب شده روی سطح هوشمند، پس از اتصال موازی دیود SS14 در ترمینال خروجی باتری، بسیار کمتر از آستانه ایمنی باتری، با موفقیت جریان معکوس را به زیر 0.1 میکرو آمپر محدود کرد، که به طور قابل توجهی طول عمر دستگاه را افزایش داد.

2، سناریوهای کاربردی معمولی و طراحی مدار
1. حفاظت ESD از ماژول ارتباط بی سیم
ماژول بی سیم تجهیزات پزشکی از راه دور (مانند بلوتوث، 4G/5G) باید استاندارد IEC 61000-4-5 را مطابقت داشته باشد. در طول طراحی، دیودهای TVS باید به طور موازی به رابط های آنتن و خطوط انتقال داده (مانند I2C، SPI) متصل شوند. به عنوان مثال:

D1/D2:SMBJ5.0CA، از سیم برق 5 ولت محافظت کنید.
D3/D4: SLESD5V0LED02 (ظرفیت اتصال کم 0.28pF)، از خطوط انتقال داده محافظت می کند.
این نوع طراحی تضمین می‌کند که تجهیزات می‌توانند به طور پایدار در محیط‌های مرطوب و عرق‌ریز عمل کنند و استانداردهای ایمنی الکتریکی پزشکی مانند IEC 60601-1 را رعایت کنند.

2. حفاظت محدود از مدار اکتساب سیگنال فیزیولوژیکی
دامنه سیگنال الکتروکاردیوگرام (ECG) تنها 1-5 میلی ولت است که مستعد تداخل فرکانس توان (50 هرتز) و نویز الکتریکی عضلانی است. هنگام طراحی، یک مدار محدود کننده باید به صورت سری در انتهای سیگنال ورودی متصل شود، به عنوان مثال:

دیود D1/D2:1N4148 که یک محدود کننده دو طرفه را تشکیل می دهد.
مقاومت تقسیم کننده ولتاژ R1/R2: 10k Ω، جریان محدود کننده
C1: خازن فیلتر کننده 0.1 μF برای سرکوب صدای فرکانس بالا-.
این مدار می تواند سیگنال ورودی را در محدوده ± 0.7 ولت محدود کند و از عملکرد طبیعی تقویت کننده بعدی (مانند INA128) اطمینان حاصل کند.

3. حفاظت معکوس از سیستم مدیریت باتری
دستگاه‌های مانیتورینگ از راه دور پوشیدنی (مانند دستبندهای هوشمند) به حالت آماده به کار طولانی‌مدت- نیاز دارند و تخلیه خود باتری و نشت مدار ممکن است عمر باتری را کاهش دهد. با اتصال یک دیود جریان نشتی کم (مانند BAS70) به صورت سری در خروجی باتری، جریان آماده به کار را می توان از 10 μ A به کمتر از 0.1 میکرو آمپر کاهش داد. به عنوان مثال، پس از اینکه مارک خاصی از مانیتور قند خون مداوم این راه حل را اتخاذ کرد، عمر باتری دستگاه از 3 روز به 10 روز افزایش یافت.

3، روندها و چالش های صنعت
1. استفاده از مواد باندگپ گسترده
دیودهای مبتنی بر نیترید گالیم (GaN) به دلیل فرکانس بالا و ویژگی‌های کارایی، در تجهیزات پزشکی از راه دور استفاده می‌شوند. 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 واحدهای مدیریت توان (PMUs) و تراشه های BMS یکپارچه می شوند. 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 از راه دور 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 مقاومتی بیش از 100 ولت ایجاد کنید تا نیازهای دستگاه‌های-قدرت بالا را برآورده کنند.
عملکرد حفاظت هوشمند: ترکیب سنسورها و الگوریتم ها برای تنظیم پویا پارامترهای دیود و بهینه سازی اثرات حفاظتی.