Използва ли се диод за защита на сигнала в дистанционно медицинско оборудване?

1, Механизмът за защита на основния сигнал на диодите
1. ESD защита: Потискайте въздействието на статично електричество
Дистанционните медицински устройства, като преносими електрокардиографи и смарт гривни, често се управляват чрез човешки контакт и са склонни към натрупване на електростатични заряди. Когато интерфейсите на устройството (като USB и модули за безжично зареждане) влязат в контакт с външни проводници, статичното електричество може да генерира десетки хиляди волта преходно високо напрежение, което може да пробие щифтовете на чипа или сензорните вериги. TVS диодите (като SMBJ5.0CA) могат да захванат напрежението до безопасен диапазон в рамките на ps време чрез ценеровия ефект (като 5V системно затягане до 10V), с динамично съпротивление толкова ниско, колкото 0,5 Ω, и могат да абсорбират няколко киловата пренапрежение. Например, определена марка инсулинова помпа успешно премина теста IEC 61000-4-2 ESD след използване на TVS диод за защита на интерфейса за зареждане и функцията на устройството не беше засегната при пиков ток от 30 A.

2. Ограничаване на сигнала: предотвратява претоварване на напрежението
Дистанционното медицинско оборудване трябва да предава физиологични сигнали чрез безжични модули (като Bluetooth, Wi Fi), но приемащият край на антената може да генерира пикове на напрежението поради смущения в околната среда. Обикновени диоди (като 1N4148) могат да се използват за изграждане на ограничителна верига, която ограничава напрежението на сигнала в безопасен диапазон. Неговият принцип на работа е: когато входното напрежение надвиши падащото напрежение на диода (около 0,7 V), диодът провежда и излишната енергия се консумира през резистора на делителя на напрежението, за да се избегне повреда на последващата верига (като ADC преобразувател) поради пренапрежение. Например, в оборудването за наблюдение на насищането с кислород в кръвта, ограничаваща верига може да гарантира, че слабият сигнал (ниво на mV) на изхода от фотоелектричния сензор не се влияе от външни смущения.

3. Блокиране на обратен ток: осигуряване на стабилност на захранването
Дистанционното медицинско оборудване често използва литиеви батерии за захранване. Ако батерията е обърната или веригата за зареждане се повреди, това може да причини обратен ток. Диодите на Шотки (като SS14) са предпочитаният избор за блокиране на обратен ток поради ниското им падане на напрежението (0,2-0,3 V) и характеристиките на бързо превключване. Например, определен модел интелигентен дефибрилатор за повърхностен монтаж успешно ограничи обратния ток до под 0,1 μA след паралелно свързване на диод SS14 към изходния терминал на батерията, далеч под прага за безопасност на батерията, значително удължавайки живота на устройството.

2, Типични сценарии за приложение и дизайн на верига
1. ESD защита на безжичен комуникационен модул
Безжичният модул на дистанционно медицинско оборудване (като Bluetooth, 4G/5G) трябва да отговаря на стандарта IEC 61000-4-5 за устойчивост на пренапрежение. По време на проектирането TVS диодите трябва да бъдат паралелно свързани към антенни интерфейси и линии за предаване на данни (като I2C, SPI). Например:

D1/D2:SMBJ5.0CA, Защитете 5V захранващ кабел;
D3/D4: SLESD5V0LED02 (нисък капацитет на прехода 0,28pF), защитава линиите за предаване на данни.
Този тип дизайн гарантира, че оборудването може да работи стабилно във влажна и потна среда, отговаряйки на стандартите за медицинска електрическа безопасност като IEC 60601-1.

2. Ограничаваща защита на веригата за получаване на физиологичен сигнал
Амплитудата на сигнала на електрокардиограмата (ЕКГ) е само 1-5 mV, което е податливо на смущения на мощността (50 Hz) и мускулен електрически шум. При проектирането ограничителната верига трябва да бъде свързана последователно в края на входния сигнал, например:

D1/D2:1N4148 диод, образуващ двупосочен ограничител;
R1/R2: резистор за делител на напрежение 10k Ω, ограничаващ тока;
C1: 0,1 μF филтриращ кондензатор за потискане на високо-честотен шум.
Тази схема може да ограничи входния сигнал в диапазон от ± 0,7 V, осигурявайки нормалната работа на следващия усилвател (като INA128).

3. Обратна защита на системата за управление на батерията
Носимите устройства за дистанционно наблюдение (като интелигентни гривни) изискват дългосрочен-режим на готовност, а саморазреждането на батерията и изтичането на верига може да съкратят живота на батерията. Чрез свързване на диод с нисък ток на утечка (като BAS70) последователно към изхода на батерията, токът в режим на готовност може да бъде намален от 10 μA до под 0,1 μA. Например, след като определена марка непрекъснат монитор за кръвна захар прие това решение, животът на батерията на устройството беше удължен от 3 дни на 10 дни.

3, Тенденции и предизвикателства в индустрията
1. Приложение на широколентови материали
Диодите, базирани на галиев нитрид (GaN), започнаха да се прилагат в дистанционни медицински устройства поради тяхната висока честота и характеристики на ефективност. Например GaN диодите на Шотки имат 90% по-кратко време за обратно възстановяване (trr) от базираните на силиций -устройства, което може да намали загубата на енергия в зарядните вериги и да подобри издръжливостта на устройството.

2. Интегриран дизайн
За да се намали размерът на устройството, диодите се интегрират с блокове за управление на захранването (PMU) и BMS чипове. Например решение с един-чип, лансирано от определен производител, интегрира TVS диоди, диоди за регулатор на напрежението и MOSFETs в пакет от 0,8 mm × 0,8 mm, за да отговори на нуждите на ултра малки устройства, като интелигентни пръстени.

3. Балансирайте ниската консумация на енергия и високата надеждност
Дистанционното медицинско оборудване е чувствително към консумацията на енергия, но в същото време трябва да отговаря на високи изисквания за надеждност. Бъдещите диоди трябва да пробият в следните посоки:

По-нисък спад на напрежението напред: като използване на технологията Super Junction за намаляване на спада на напрежението на диодите на Шотки до под 0,1 V;
По-високо обратно издържано напрежение: Разработете микродиоди с издържащо напрежение над 100 V, за да отговорите на нуждите на устройства с висока-мощност;
Интелигентна функция за защита: Комбиниране на сензори и алгоритми за динамично регулиране на параметрите на диода и оптимизиране на защитните ефекти.