Kako medicinski nosivi uređaji mogu zaštititi svoje baterije pomoću dioda?

1, Mehanizam zaštite jezgre dioda
1. Blokiranje povratne struje: sprječava kratki spoj baterije i gubitak energije
Izlazni terminal baterije medicinskih nosivih uređaja (poput pametnih narukvica i kontinuiranih mjerača glukoze u krvi) mora strogo ograničiti smjer struje. Ako struja teče obrnuto zbog kvara strujnog kruga, to može uzrokovati kratki spoj baterije, zagrijavanje ili čak eksploziju. U ovom trenutku, Schottky diode (kao što su SS14, SS110) postaju preferirani izbor za blokiranje povratne struje zbog njihovog niskog pada napona prema naprijed (0,2-0,3 V) i karakteristika brzog prebacivanja. Njegov princip rada je:

Provođenje prema naprijed: kada je baterija normalno ispražnjena, dioda je u stanju niskog otpora i struja prolazi glatko;
Reverse cutoff: Ako struja pokuša teći unazad, dioda brzo ulazi u stanje visoke impedancije, blokirajući strujni put.
Na primjer, određeni model pametne narukvice koristi SS14 diodu paralelno s izlazom baterije. U testu obrnute struje, struja je uspješno ograničena na ispod 0,1 μA, daleko ispod sigurnosnog praga baterije.

2. Zaštita od prenapona: Suzbijanje prenapona punjenja i ESD utjecaja
Medicinska oprema ima stroge zahtjeve za elektromagnetsku kompatibilnost (EMC), a sučelja za punjenje ili ljudski statički elektricitet mogu generirati prolazni visoki napon (do tisuća volti), koji može prodrijeti kroz čipove za upravljanje baterijom (BMS). Diode za potiskivanje prijelaznog napona (TVS) kao što su SMBJ5.0CA i SLESD5V0LED02 mogu stegnuti napon na siguran raspon unutar ps vremena kroz Zenerov učinak sloma

Napon stezanja: kada TVS dioda doživi obrnuti kvar, ona ograničava napon na unaprijed postavljenu vrijednost (kao što je stezanje diode na 10 V u sustavu od 5 V);
Nizak dinamički otpor: Tipični dinamički otpor (RDYN) ispod je 0,5 Ω, osiguravajući kontrolirani pad napona pod visokom strujom;
Mali kapacitet spoja: Na primjer, kapacitet spoja SLESD5V0LED02 je samo 0,28 pF kako bi se izbjeglo izobličenje visoko-frekventnog signala.
Prijenosni elektrokardiograf usvaja SMBJ5.0CA diodno zaštitno sučelje za punjenje i uspješno podnosi udar vršne struje od 30 A u IEC 61000-4-2 ESD testu bez ikakvih funkcionalnih abnormalnosti.

3. Zaštita od prekomjernog punjenja/pražnjenja: Produžite vijek trajanja baterije
Overcharging (voltage>4,2 V) ili prekomjerno pražnjenje (napon<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:

Zaštita od prekomjernog punjenja: kada napon baterije poraste do praga, dioda regulatora napona provodi, pokrećući MOSFET da prekine krug punjenja;
Zaštita od prekomjernog pražnjenja: Napon se prati preko otpornika razdjelnika napona. Kada je napon ispod sigurne vrijednosti, dioda regulatora napona vodi i otvoreni krug se prekida.
Nakon usvajanja ovog rješenja, vijek trajanja baterije određene marke inzulinske pumpe povećan je s 500 puta na preko 2000 puta, a stopa kvarova smanjena je za 80%.

2, Tipični scenariji primjene i dizajn strujnog kruga
1. Zaštita sučelja za punjenje nosivih uređaja
Medicinski nosivi uređaji (kao što su pametni flasteri) obično koriste mikro USB ili magnetska sučelja za punjenje, koja su osjetljiva na ESD i udarni napon. Tijekom projektiranja, TVS diode moraju biti spojene paralelno na podatkovne/energetske vodove, na primjer:

D1/D2:SMBJ5.0CA, Zaštitite kabel za napajanje od 5 V;
D3/D4:SLESD5V0LED02, Zaštitite linije za prijenos podataka (kao što su I2C, SPI).
Ova vrsta dizajna osigurava da oprema i dalje može stabilno raditi u vlažnim i znojnim okruženjima, zadovoljavajući IEC 60601-1 standard medicinske električne sigurnosti.

2. Obrnuta zaštita baterije
U scenarijima gdje je više baterija povezano u seriju (kao što su defibrilatori), ako je jedna baterija okrenuta naopako, to može uzrokovati kratki spoj u cijelom paketu baterija. U ovom trenutku, Schottky diode (kao što je BAV21W) moraju biti spojene paralelno na oba kraja svake baterije, s obrnutim podnosivim naponom do 200 V i prednjim otpornim naponom smanjenim na 0,3 V, što ne samo da izbjegava gubitak energije, već također sprječava toplinski bijeg uzrokovan obrnutim spojem.

3. Zaštita u stanju mirovanja male snage
Medicinski nosivi uređaji zahtijevaju dugo-stanje mirovanja, a samopražnjenje baterije i struja curenja iz kruga mogu skratiti vijek trajanja baterije. Povezivanjem diode niske struje curenja (kao što je BAS70) u seriju s izlazom baterije, struja pripravnosti može se smanjiti s 10 μA na ispod 0,1 μA, značajno produžujući vrijeme korištenja uređaja.

3, Trendovi i izazovi u industriji
1. Primjena materijala sa širokim pojasnim razmakom
Diode na bazi galijevog nitrida (GaN) počele su se primjenjivati ​​u medicinskim nosivim uređajima zbog svoje visoke frekvencije i učinkovitosti. Na primjer, GaN Schottky diode imaju 90% kraće obrnuto vrijeme oporavka (trr) od uređaja temeljenih-na siliciju, što može smanjiti gubitak energije u krugovima punjenja i poboljšati izdržljivost uređaja.

2. Integrirani dizajn
Kako bi se smanjila veličina uređaja, diode se integriraju s BMS čipovima i jedinicama za upravljanje napajanjem (PMU). Na primjer, rješenje s jednim-čipom koje je pokrenuo određeni proizvođač integrira TVS diode, diode regulatora napona i MOSFET-ove u paket od 0,8 mm × 0,8 mm kako bi se zadovoljile potrebe ultra malih uređaja kao što su pametni prstenovi.

3. Uravnotežite nisku potrošnju energije i visoku pouzdanost
Medicinska oprema je osjetljiva na potrošnju energije, ali istovremeno treba zadovoljiti visoke zahtjeve pouzdanosti. Buduće diode moraju se probiti u sljedećim smjerovima:

Manji pad napona prema naprijed: kao što je korištenje tehnologije Super Junction za smanjenje pada napona Schottky dioda ispod 0,1 V;
Veći obrnuti otporni napon: Razvijte mikro diode s otpornim naponom od preko 100 V kako biste zadovoljili potrebe medicinske opreme velike-snage;
Inteligentna zaštitna funkcija: Kombinacija senzora i algoritama za dinamičku prilagodbu parametara diode i optimiziranje učinaka zaštite.