W jaki sposób medyczne urządzenia do noszenia mogą chronić swoje baterie za pomocą diod?

1, Mechanizm zabezpieczający rdzeń diod
1. Blokowanie prądu wstecznego: zapobiega zwarciu akumulatora i utracie energii
Zacisk wyjściowy baterii medycznych urządzeń do noszenia (takich jak inteligentne bransoletki i ciągłe monitory poziomu glukozy we krwi) musi ściśle ograniczać kierunek prądu. Jeśli prąd popłynie w odwrotnym kierunku z powodu awarii obwodu, może to spowodować zwarcie akumulatora, przegrzanie, a nawet eksplozję. W tym momencie diody Schottky'ego (takie jak SS14, SS110) stają się preferowanym wyborem do blokowania prądu wstecznego ze względu na ich niski spadek napięcia w kierunku przewodzenia (0,2-0,3 V) i szybką charakterystykę przełączania. Jego zasada działania jest następująca:

Przewodzenie w przód: Gdy akumulator jest normalnie rozładowywany, dioda znajduje się w stanie niskiej rezystancji, a prąd przepływa płynnie;
Odcięcie odwrotne: Jeśli prąd spróbuje płynąć w odwrotnym kierunku, dioda szybko przechodzi w stan wysokiej impedancji, blokując ścieżkę prądową.
Przykładowo, pewien model inteligentnej bransoletki wykorzystuje diodę SS14 równolegle z zaciskiem wyjściowym akumulatora. W teście prądu wstecznego prąd został pomyślnie ograniczony do wartości poniżej 0,1 μA, czyli znacznie poniżej progu bezpieczeństwa akumulatora.

2. Ochrona przeciwprzepięciowa: tłumi przepięcia ładowania i uderzenia ESD
Sprzęt medyczny ma rygorystyczne wymagania dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), a interfejsy ładowania lub elektryczność statyczna u ludzi mogą generować przejściowe wysokie napięcie (do tysięcy woltów), które może przedostać się do układów zarządzających baterią (BMS). Diody tłumiące napięcie przejściowe (TVS), takie jak SMBJ5.0CA i SLESD5V0LED02, mogą ograniczać napięcie do bezpiecznego zakresu w czasie ps dzięki efektowi przebicia Zenera

Napięcie zaciskania: Gdy dioda TVS ulega odwrotnemu przebiciu, ogranicza napięcie do zadanej wartości (np. zaciskanie diody do 10 V w systemie 5 V);
Niska rezystancja dynamiczna: Typowa rezystancja dynamiczna (RDYN) wynosi poniżej 0,5 Ω, co zapewnia kontrolowany spadek napięcia przy dużym natężeniu prądu;
Niska pojemność złącza: na przykład pojemność złącza SLESD5V0LED02 wynosi tylko 0,28 pF, aby uniknąć zniekształceń sygnału o-wysokiej częstotliwości.
Przenośny elektrokardiograf wykorzystuje interfejs ładowania z zabezpieczeniem diody SMBJ5.0CA i skutecznie wytrzymuje szczytowy wzrost prądu o wartości 30 A w teście ESD IEC 61000-4-2 bez żadnych nieprawidłowości funkcjonalnych.

3. Zabezpieczenie przed przeładowaniem/nadmiernym rozładowaniem: wydłuż żywotność akumulatora
Overcharging (voltage>4,2 V) lub nadmiernego rozładowania (napięcie<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:

Ochrona przed przeładowaniem: Gdy napięcie akumulatora wzrośnie do wartości progowej, dioda regulatora napięcia przewodzi, powodując odcięcie obwodu ładowania przez MOSFET;
Zabezpieczenie przed nadmiernym rozładowaniem: Napięcie jest monitorowane przez rezystor dzielnika napięcia. Gdy napięcie spadnie poniżej bezpiecznej wartości, dioda regulatora napięcia przewodzi, a obwód otwarty zostaje rozłączony.
Dzięki zastosowaniu tego rozwiązania żywotność baterii pompy insulinowej danej marki wzrosła z 500 do ponad 2000 razy, a awaryjność spadła o 80%.

2, Typowe scenariusze zastosowań i projektowanie obwodów
1. Ochrona interfejsu ładowania urządzenia przenośnego
Medyczne urządzenia do noszenia (takie jak inteligentne plastry) zazwyczaj korzystają z interfejsów ładowania micro USB lub magnetycznych, które są podatne na wyładowania elektrostatyczne i napięcia udarowe. Podczas projektowania diody TVS należy połączyć równolegle na liniach danych/zasilania, na przykład:

D1/D2:SMBJ5.0CA, chroń przewód zasilający 5 V;
D3/D4:SLESD5V0LED02, Chroń linie transmisji danych (takie jak I2C, SPI).
Tego typu konstrukcja zapewnia, że ​​sprzęt może nadal stabilnie działać w wilgotnym i spoconym środowisku, spełniając normę bezpieczeństwa elektrycznego i elektrycznego IEC 60601-1.

2. Odwrotna ochrona pakietu akumulatorów
W scenariuszach, w których wiele akumulatorów jest połączonych szeregowo (np. w defibrylatorach), odwrócenie kierunku działania jednego akumulatora może spowodować zwarcie w całym zestawie akumulatorów. W tym momencie diody Schottky'ego (takie jak BAV21W) muszą być połączone równolegle na obu końcach każdego akumulatora, przy napięciu wytrzymywanym wstecznym do 200 V i napięciu wytrzymywanym w kierunku przewodzenia zmniejszonym do 0,3 V, co nie tylko pozwala uniknąć strat energii, ale także zapobiega niekontrolowanej niekontrolowanej utracie ciepła spowodowanej odwrotnym podłączeniem.

3. Ochrona w trybie gotowości o niskiej mocy
Medyczne urządzenia do noszenia wymagają-długiego okresu czuwania, a samorozładowanie baterii i prąd upływowy w obwodzie mogą skrócić jej żywotność. Podłączając szeregowo diodę o niskim prądzie upływu (np. BAS70) do wyjścia akumulatora, można zmniejszyć prąd czuwania z 10 μA do poniżej 0,1 μA, znacznie wydłużając czas użytkowania urządzenia.

3, Trendy i wyzwania branżowe
1. Zastosowanie materiałów o szerokiej przerwie energetycznej
Diody na bazie azotku galu (GaN) zaczęto stosować w medycznych urządzeniach do noszenia ze względu na ich wysoką częstotliwość i wydajność. Na przykład diody GaN Schottky'ego mają o 90% krótszy czas odzyskiwania mocy (trr) niż urządzenia oparte na krzemie-, co może zmniejszyć straty energii w obwodach ładowania i poprawić trwałość urządzenia.

2. Zintegrowany projekt
Aby zmniejszyć gabaryty urządzenia, diody integruje się z chipami BMS i jednostkami zarządzania energią (PMU). Na przykład rozwiązanie jednoukładowe- wprowadzone przez pewnego producenta integruje diody TVS, diody regulatora napięcia i tranzystory MOSFET w obudowie o wymiarach 0,8 mm × 0,8 mm, aby zaspokoić potrzeby bardzo małych urządzeń, takich jak inteligentne pierścienie.

3. Zrównoważ niskie zużycie energii i wysoką niezawodność
Sprzęt medyczny jest wrażliwy na zużycie energii, ale jednocześnie musi spełniać wysokie wymagania niezawodnościowe. Przyszłe diody muszą przebić się w następujących kierunkach:

Niższy spadek napięcia w kierunku przewodzenia: na przykład zastosowanie technologii Super Junction w celu zmniejszenia spadku napięcia diod Schottky'ego do wartości poniżej 0,1 V;
Wyższe napięcie wytrzymywane wstecznie: Opracuj mikrodiody o napięciu wytrzymywanym powyżej 100 V, aby sprostać wymaganiom-sprzętu medycznego dużej mocy;
Inteligentna funkcja ochrony: połączenie czujników i algorytmów w celu dynamicznego dostosowywania parametrów diody i optymalizacji efektów ochronnych.