Používa sa dióda na ochranu signálu vo vzdialených lekárskych zariadeniach?

1, mechanizmus ochrany hlavného signálu diód
1. ESD ochrana: Potláča vplyv statickej elektriny
Diaľkové lekárske zariadenia, ako sú prenosné elektrokardiografy a inteligentné náramky, sú často ovládané ľudským kontaktom a sú náchylné na hromadenie elektrostatických nábojov. Keď sa rozhrania zariadení (napríklad USB a moduly bezdrôtového nabíjania) dostanú do kontaktu s vonkajšími vodičmi, statická elektrina môže generovať desiatky tisíc voltov prechodného vysokého napätia, ktoré môže preraziť kolíky čipu alebo obvody senzorov. Diódy TVS (ako je SMBJ5.0CA) dokážu pomocou Zenerovho prierazného efektu (ako je upnutie 5V systému na 10V) zovrieť napätie v bezpečnom rozsahu v rámci ps času s dynamickým odporom len 0,5 Ω a môžu absorbovať niekoľko kilowattov rázového výkonu. Napríklad určitá značka inzulínovej pumpy úspešne prešla testom IEC 61000-4-2 ESD po použití diódy TVS na ochranu nabíjacieho rozhrania a funkcia zariadenia nebola ovplyvnená pri 30A špičkovom prúdovom náraze.

2. Obmedzenie signálu: zabráňte preťaženiu napätia
Vzdialené lekárske zariadenia potrebujú prenášať fyziologické signály cez bezdrôtové moduly (ako je Bluetooth, Wi-Fi), ale prijímacia časť antény môže generovať napäťové špičky v dôsledku rušenia prostredia. Obyčajné diódy (napríklad 1N4148) môžu byť použité na konštrukciu obmedzovacieho obvodu, ktorý obmedzuje napätie signálu v bezpečnom rozsahu. Princíp jeho fungovania je: keď vstupné napätie prekročí dopredný pokles napätia diódy (asi 0,7 V), dióda vedie a prebytočná energia sa spotrebúva cez odpor deliča napätia, aby sa predišlo poškodeniu následného obvodu (napríklad prevodníka ADC) v dôsledku prepätia. Napríklad v zariadeniach na monitorovanie saturácie kyslíka v krvi môže obmedzovací obvod zabezpečiť, aby výstup slabého signálu (úroveň mV) fotoelektrického snímača nebol ovplyvnený vonkajším rušením.

3. Blokovanie spätného prúdu: zabezpečenie stability napájania
Diaľkové lekárske zariadenia často používajú na napájanie lítiové batérie. Ak je batéria obrátená alebo zlyhá nabíjací obvod, môže to spôsobiť prepätie spätného prúdu. Schottkyho diódy (ako je SS14) sú preferovanou voľbou pre blokovanie spätného prúdu kvôli ich nízkemu poklesu napätia vpred (0,2-0,3 V) a rýchlym spínacím charakteristikám. Napríklad istý model inteligentného defibrilátora pre povrchovú montáž úspešne obmedzil spätný prúd pod 0,1 μA po paralelnom pripojení diódy SS14 na výstupnú svorku batérie, hlboko pod hranicou bezpečnosti batérie, čím sa výrazne predĺžila životnosť zariadenia.

2, Typické aplikačné scenáre a návrh obvodov
1. ESD ochrana modulu bezdrôtovej komunikácie
Bezdrôtový modul vzdialeného lekárskeho zariadenia (ako je Bluetooth, 4G/5G) musí spĺňať normu odolnosti proti prepätiu IEC 61000-4-5. Počas návrhu je potrebné, aby boli diódy TVS paralelne pripojené k anténnym rozhraniam a vedeniam prenosu dát (ako I2C, SPI). Napríklad:

D1/D2:SMBJ5.0CA, Chráňte napájací kábel 5V;
D3/D4: SLESD5V0LED02 (nízka spojovacia kapacita 0,28pF), chráni dátové prenosové linky.
Tento typ konštrukcie zabezpečuje, že zariadenie môže pracovať stabilne vo vlhkom a spotenom prostredí, pričom spĺňa štandardy lekárskej elektrickej bezpečnosti, ako je IEC 60601-1.

2. Obmedzujúca ochrana obvodu zberu fyziologického signálu
Amplitúda signálu elektrokardiogramu (EKG) je len 1-5 mV, čo je náchylné na rušenie napájacej frekvencie (50 Hz) a elektrický šum svalov. Pri navrhovaní by mal byť obmedzovací obvod zapojený do série na konci vstupu signálu, napríklad:

Dióda D1/D2:1N4148, tvoriaca obojsmerný obmedzovač;
R1/R2:10k Ω odpor delič napätia, obmedzujúci prúd;
C1: 0,1 μF filtračný kondenzátor na potlačenie vysoko-frekvenčného šumu.
Tento obvod môže obmedziť vstupný signál v rozsahu ± 0,7 V, čím zabezpečí normálnu prevádzku následného zosilňovača (ako je INA128).

3. Reverzná ochrana systému správy batérie
Nositeľné zariadenia na vzdialené monitorovanie (napríklad inteligentné náramky) vyžadujú dlhodobý{0}}pohotovostný režim a samovybíjanie batérie a únik z okruhu môže skrátiť životnosť batérie. Zapojením diódy s nízkym zvodovým prúdom (napríklad BAS70) do série na výstup z batérie je možné znížiť pohotovostný prúd z 10 μ A pod 0,1 μ A. Napríklad po tom, čo určitá značka kontinuálneho monitora hladiny glukózy v krvi prijala toto riešenie, sa životnosť batérie zariadenia predĺžila z 3 dní na 10 dní.

3, Priemyselné trendy a výzvy
1. Aplikácia širokých bandgap materiálov
Diódy na báze nitridu gália (GaN) sa začali používať vo vzdialených lekárskych zariadeniach kvôli ich vysokej frekvencii a účinnosti. Napríklad diódy GaN Schottky majú o 90 % kratší čas reverznej obnovy (trr) než zariadenia na báze kremíka-, čo môže znížiť straty energie v nabíjacích obvodoch a zlepšiť výdrž zariadenia.

2. Integrovaný dizajn
Aby sa zmenšila veľkosť zariadenia, diódy sú integrované s jednotkami správy napájania (PMU) a čipmi BMS. Napríklad riešenie s jedným čipom, ktoré uviedol na trh istý výrobca, integruje diódy TVS, diódy regulátora napätia a MOSFET do balenia s rozmermi 0,8 mm × 0,8 mm, aby vyhovovalo potrebám ultra malých zariadení, ako sú inteligentné prstene.

3. Vyvážte nízku spotrebu energie a vysokú spoľahlivosť
Diaľkové lekárske zariadenia sú citlivé na spotrebu energie, no zároveň musia spĺňať vysoké požiadavky na spoľahlivosť. Budúce diódy musia preraziť v nasledujúcich smeroch:

Nižší pokles napätia vpred: ako napríklad použitie technológie Super Junction na zníženie poklesu napätia Schottkyho diód pod 0,1 V;
Vyššie spätné výdržné napätie: Vyviňte mikro diódy s výdržným napätím nad 100 V, aby vyhovovali potrebám zariadení s vysokým-výkonom;
Inteligentná ochranná funkcia: Kombinácia senzorov a algoritmov na dynamickú úpravu parametrov diód a optimalizáciu ochranných účinkov.