כיצד מכשירים לבישים רפואיים יכולים להגן על הסוללות שלהם באמצעות דיודות?

1, מנגנון הגנה ליבה של דיודות
1. חסימת זרם הפוכה: מונעת קצר בסוללה ואובדן אנרגיה
מסוף הפלט של הסוללה של מכשירים לבישים רפואיים (כגון צמידים חכמים ומדדי סוכר רציפים בדם) חייב להגביל בהחלט את כיוון הזרם. אם הזרם זורם הפוך עקב כשל במעגל, זה עלול לגרום לקצר בסוללה, לחימום או אפילו להתפוצצות. בשלב זה, דיודות שוטקי (כגון SS14, SS110) הופכות לבחירה המועדפת לחסימת זרם הפוך בשל ירידת המתח הנמוכה שלהן קדימה (0.2-0.3V) ומאפייני מיתוג מהירים. עקרון העבודה שלו הוא:

הולכה קדימה: כאשר הסוללה מתרוקנת כרגיל, הדיודה נמצאת במצב התנגדות נמוכה והזרם עובר בצורה חלקה;
ניתוק הפוך: אם הזרם מנסה לזרום הפוך, הדיודה נכנסת במהירות למצב עכבה גבוהה, וחוסמת את נתיב הזרם.
לדוגמה, דגם מסוים של צמיד חכם משתמש בדיודה SS14 במקביל למסוף פלט הסוללה. במבחן הזרם ההפוך, הזרם הוגבל בהצלחה מתחת ל-0.1 μA, הרבה מתחת לסף הבטיחות של הסוללה.

2. הגנת מתח יתר: דיכוי נחשולי טעינה והשפעות ESD
לציוד רפואי דרישות מחמירות לתאימות אלקטרומגנטית (EMC), וממשקי טעינה או חשמל סטטי אנושי עלולים ליצור מתח גבוה חולף (עד אלפי וולט), שיכול לחדור לשבבי ניהול סוללה (BMS). דיודות דיכוי מתח חולף (TVS) כגון SMBJ5.0CA ו-SLESD5V0LED02 יכולות להצמיד את המתח לטווח בטוח בתוך ps time באמצעות אפקט התמוטטות Zener

מתח הידוק: כאשר דיודת ה-TVS חווה התמוטטות הפוכה, היא מגבילה את המתח לערך מוגדר מראש (כגון הידוק הדיודה ל-10V במערכת 5V);
התנגדות דינמית נמוכה: ההתנגדות הדינמית האופיינית (RDYN) היא מתחת ל-0.5 Ω, מה שמבטיח נפילת מתח ניתנת לשליטה תחת זרם גבוה;
קיבול צומת נמוך: לדוגמה, קיבול הצומת של SLESD5V0LED02 הוא רק 0.28pF כדי למנוע עיוות אות- גבוה.
אלקטרוקרדיוגרף נייד מאמץ את ממשק הגנת דיודות הגנת דיודות SMBJ5.0CA, ועומד בהצלחה בזרם שיא של 30A בבדיקת IEC 61000-4-2 ESD ללא הפרעות תפקודיות.

3. הגנת טעינת יתר/פריקת יתר: הארכת חיי מחזור הסוללה
Overcharging (voltage>4.2V) או פריקת יתר (מתח<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:

הגנת טעינת יתר: כאשר מתח הסוללה עולה לסף, דיודת ווסת המתח מוליכה, מפעילה את ה-MOSFET לנתק את מעגל הטעינה;
הגנה מפני פריקת יתר: המתח מנוטר באמצעות נגד מחלק מתח. כאשר המתח נמוך מהערך הבטוח, דיודת ווסת המתח מוליכה והמעגל הפתוח מנותק.
לאחר אימוץ פתרון זה, חיי הסוללה של משאבת אינסולין מסוג מסוים הוגדלו מפי 500 ליותר מפי 2000, ושיעור הכשלים הופחת ב-80%.

2, תרחישי יישום אופייניים ותכנון מעגלים
1. הגנה על ממשק טעינה של מכשיר לביש
מכשירים לבישים רפואיים (כגון תיקונים חכמים) משתמשים בדרך כלל בממשקי טעינה מגנטיים או מיקרו USB, הרגישים ל-ESD ולמתח נחשולים. במהלך התכנון, דיודות TVS צריכות להיות מחוברות במקביל בקווי הנתונים/המתח, לדוגמה:

D1/D2:SMBJ5.0CA, הגן על כבל החשמל 5V;
D3/D4: SLESD5V0LED02, הגן על קווי העברת נתונים (כגון I2C, SPI).
עיצוב מסוג זה מבטיח שהציוד עדיין יכול לפעול ביציבות בסביבות לחות ומיוזעות, ועומד בתקן בטיחות חשמל רפואי IEC 60601-1.

2. הגנה הפוכה של ערכת הסוללות
בתרחישים שבהם מספר סוללות מחוברות בסדרה (כגון דפיברילטורים), אם סוללה אחת הופכת, זה עלול לגרום לקצר חשמלי בכל ערכת הסוללות. בשלב זה, דיודות שוטקי (כגון BAV21W) צריכות להיות מחוברות במקביל בשני הקצוות של כל סוללה, עם מתח עמידה לאחור של עד 200V ומתח עמידות קדימה מופחת ל-0.3V, מה שלא רק מונע אובדן אנרגיה אלא גם מונע בריחה תרמית הנגרמת מחיבור הפוך.

3. הגנת המתנה בהספק נמוך
מכשירים לבישים רפואיים דורשים המתנה לטווח ארוך-, ופריקה עצמית של הסוללה וזרם זליגת מעגל עשויים לקצר את חיי הסוללה. על ידי חיבור דיודה של זרם דליפה נמוך (כגון BAS70) בסדרה עם פלט הסוללה, ניתן להפחית את זרם ההמתנה מ-10 μA מתחת ל-0.1 μA, מה שמאריך משמעותית את זמן השימוש במכשיר.

3, מגמות ואתגרים בתעשייה
1. יישום של חומרי פס רחב
דיודות מבוססות גליום ניטריד (GaN) החלו להיות מיושמות במכשירים לבישים רפואיים בשל מאפייני התדירות הגבוהים והיעילות שלהן. לדוגמה, לדיודות GaN Schottky יש זמן התאוששות הפוך (trr) קצר ב-90% בהשוואה למכשירים מבוססי סיליקון, מה שיכול להפחית את אובדן האנרגיה במעגלי הטעינה ולשפר את סיבולת המכשיר.

2. עיצוב משולב
כדי להקטין את גודל המכשיר, דיודות משולבות עם שבבי BMS ויחידות ניהול חשמל (PMU). לדוגמה, פתרון שבב אחד- שהושק על ידי יצרן מסוים משלב דיודות TVS, דיודות ווסת מתח ו-MOSFET בחבילה של 0.8 מ"מ × 0.8 מ"מ כדי לענות על הצרכים של מכשירים קטנים במיוחד כגון טבעות חכמות.

3. איזון בין צריכת חשמל נמוכה ואמינות גבוהה
ציוד רפואי רגיש לצריכת חשמל, אך יחד עם זאת צריך לעמוד בדרישות אמינות גבוהות. דיודות עתידיות צריכות לפרוץ בכיוונים הבאים:

ירידה במתח הקדמי נמוך יותר: כגון שימוש בטכנולוגיית Super Junction כדי להפחית את מפל המתח של דיודות שוטקי מתחת ל-0.1V;
מתח עמידה לאחור גבוה יותר: פתח דיודות מיקרו בעלות מתח עמידה של מעל 100V כדי לענות על הצרכים של ציוד רפואי-בעוצמה גבוהה;
פונקציית הגנה חכמה: שילוב חיישנים ואלגוריתמים להתאמה דינמית של פרמטרי דיודה ואופטימיזציה של אפקטי ההגנה.