Как носимые медицинские устройства могут защитить свои батареи с помощью диодов?

1. Механизм защиты ядра диодов.
1. Блокировка обратного тока: предотвращает короткое замыкание аккумулятора и потерю энергии.
Выходная клемма аккумулятора медицинских носимых устройств (таких как смарт-браслеты и непрерывные мониторы уровня глюкозы в крови) должна строго ограничивать направление тока. Если ток течет в обратном направлении из-за неисправности цепи, это может привести к короткому замыканию батареи, нагреву или даже взрыву. На этом этапе диоды Шоттки (такие как SS14, SS110) становятся предпочтительным выбором для блокировки обратного тока из-за их низкого падения напряжения в прямом направлении (0,2–0,3 В) и характеристик быстрого переключения. Принцип его работы:

Прямая проводимость: когда аккумулятор разряжается нормально, диод находится в состоянии низкого сопротивления, и ток проходит плавно;
Обратное отключение: если ток пытается течь в обратном направлении, диод быстро переходит в состояние высокого импеданса, блокируя путь тока.
Например, в определенной модели умного браслета параллельно с выходной клеммой аккумулятора используется диод SS14. В тесте обратного тока ток был успешно ограничен до уровня ниже 0,1 мкА, что намного ниже порога безопасности батареи.

2. Защита от перенапряжения: подавляет скачки заряда и воздействие электростатического разряда.
К медицинскому оборудованию предъявляются строгие требования по электромагнитной совместимости (ЭМС), а интерфейсы зарядки или статическое электричество человека могут генерировать кратковременное высокое напряжение (до тысяч вольт), которое может проникнуть в микросхемы управления батареями (BMS). Диоды подавления переходных напряжений (TVS), такие как SMBJ5.0CA и SLESD5V0LED02, могут фиксировать напряжение в безопасном диапазоне за время пс за счет эффекта пробоя Зенера.

Напряжение ограничения: когда TVS-диод испытывает обратный пробой, он ограничивает напряжение до заданного значения (например, ограничение диода до 10 В в системе 5 В);
Низкое динамическое сопротивление: типичное динамическое сопротивление (RDYN) ниже 0,5 Ом, что обеспечивает контролируемое падение напряжения при сильном токе;
Низкая емкость перехода: например, емкость перехода SLESD5V0LED02 составляет всего 0,28 пФ, чтобы избежать высокочастотных искажений сигнала.
Портативный электрокардиограф оснащен интерфейсом зарядки с диодной защитой SMBJ5.0CA и успешно выдерживает пиковый ток 30 А в тесте на электростатическое разряд по стандарту IEC 61000-4-2 без каких-либо функциональных отклонений.

3. Защита от перезаряда/переразряда: продлевает срок службы батареи.
Overcharging (voltage>4,2В) или переразряд (напряжение<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:

Защита от перезаряда: когда напряжение батареи достигает порогового значения, диод регулятора напряжения проводит ток, заставляя МОП-транзистор отключать цепь зарядки;
Защита от переразряда: напряжение контролируется с помощью резистора делителя напряжения. Когда напряжение ниже безопасного значения, диод регулятора напряжения проводит ток и разрыв цепи размыкается.
После принятия этого решения срок службы батареи инсулиновой помпы определенной марки увеличился с 500 раз до более чем 2000 раз, а частота отказов снизилась на 80%.

2. Типичные сценарии применения и схема.
1. Защита интерфейса зарядки носимого устройства.
Носимые медицинские устройства (например, интеллектуальные пластыри) обычно используют интерфейсы микро-USB или магнитные зарядные интерфейсы, которые чувствительны к электростатическому разряду и скачкам напряжения. При проектировании TVS-диоды необходимо подключать параллельно на линиях передачи данных/питания, например:

D1/D2:SMBJ5.0CA, защитите шнур питания 5 В;
D3/D4:SLESD5V0LED02, защищает линии передачи данных (например, I2C, SPI).
Конструкция такого типа гарантирует стабильную работу оборудования во влажных и запотевших средах, что соответствует стандарту медицинской электробезопасности IEC 60601-1.

2. Обратная защита аккумуляторной батареи.
В сценариях, когда несколько батарей соединены последовательно (например, в дефибрилляторах), если перепутать одну батарею, это может вызвать короткое замыкание во всем аккумуляторном блоке. В настоящее время диоды Шоттки (например, BAV21W) необходимо подключать параллельно на обоих концах каждой батареи с обратным выдерживаемым напряжением до 200 В и прямым выдерживаемым напряжением, уменьшенным до 0,3 В, что не только позволяет избежать потерь энергии, но и предотвращает тепловой разгон, вызванный обратным подключением.

3. Защита от низкого энергопотребления в режиме ожидания
Носимым медицинским устройствам требуется длительный-режим ожидания, а саморазряд аккумулятора и ток утечки в цепи могут сократить срок его службы. Подключив диод с низким током утечки (например, BAS70) последовательно с выходом батареи, ток в режиме ожидания можно уменьшить с 10 мкА до менее 0,1 мкА, что значительно продлевает время использования устройства.

3. Тенденции и проблемы отрасли.
1. Применение широкозонных материалов.
Диоды на основе нитрида галлия (GaN) начали применяться в носимых медицинских устройствах благодаря их высокой частоте и эффективности. Например, время обратного восстановления (trr) GaN-диодов Шоттки на 90 % короче, чем у кремниевых-устройств, что позволяет снизить потери энергии в цепях зарядки и повысить срок службы устройства.

2. Интегрированный дизайн
Чтобы уменьшить размер устройства, диоды интегрируются с чипами BMS и блоками управления питанием (PMU). Например, одно-решение, выпущенное определенным производителем, объединяет TVS-диоды, диоды стабилизатора напряжения и МОП-транзисторы в корпус размером 0,8 × 0,8 мм для удовлетворения потребностей сверхмалых устройств, таких как интеллектуальные кольца.

3. Баланс низкого энергопотребления и высокой надежности.
Медицинское оборудование чувствительно к энергопотреблению, но в то же время должно отвечать высоким требованиям надежности. Будущим диодам необходимо пробиваться в следующих направлениях:

Меньшее прямое падение напряжения: например, использование технологии Super Junction для уменьшения падения напряжения на диодах Шоттки до уровня ниже 0,1 В;
Более высокое обратное выдерживаемое напряжение. Разработайте микродиоды с выдерживаемым напряжением более 100 В для удовлетворения потребностей-мощного медицинского оборудования;
Интеллектуальная функция защиты: сочетание датчиков и алгоритмов для динамической настройки параметров диодов и оптимизации защитных эффектов.