Brukes diode for signalbeskyttelse i medisinsk eksternt utstyr?

1, kjernesignalbeskyttelsesmekanismen til dioder
1. ESD-beskyttelse: Undertrykk statisk elektrisitet
Eksternt medisinsk utstyr, som bærbare elektrokardiografer og smarte armbånd, betjenes ofte gjennom menneskelig kontakt og er utsatt for å akkumulere elektrostatiske ladninger. Når enhetsgrensesnitt (som USB og trådløse lademoduler) kommer i kontakt med eksterne ledere, kan statisk elektrisitet generere titusenvis av volt med forbigående høyspenning, som kan bryte gjennom chippinner eller sensorkretser. TVS-dioder (som SMBJ5.0CA) kan klemme spenningen til et trygt område innen ps-tid gjennom Zener-nedbrytningseffekten (som 5V-systemklemming til 10V), med en dynamisk motstand så lav som 0,5 Ω, og kan absorbere flere kilowatt overspenningseffekt. For eksempel besto et bestemt insulinpumpemerke IEC 61000-4-2 ESD-testen etter bruk av TVS-diode for å beskytte ladegrensesnittet, og enhetsfunksjonen ble ikke påvirket under 30A toppstrømstøt.

2. Signalbegrensning: forhindre spenningsoverbelastning
Eksternt medisinsk utstyr må overføre fysiologiske signaler gjennom trådløse moduler (som Bluetooth, Wi Fi), men antennemottakeren kan generere spenningsspisser på grunn av miljøinterferens. Vanlige dioder (som 1N4148) kan brukes til å konstruere en begrensende krets, som begrenser signalspenningen innenfor et sikkert område. Dens arbeidsprinsipp er: når inngangsspenningen overstiger diodens foroverspenningsfall (ca. 0,7V), leder dioden, og overflødig energi forbrukes gjennom spenningsdelermotstanden for å unngå skade på den påfølgende kretsen (som ADC-omformer) på grunn av overspenning. For eksempel, i overvåkingsutstyr for blodoksygenmetning, kan en begrensende krets sikre at det svake signalet (mV-nivå) som sendes ut av den fotoelektriske sensoren ikke påvirkes av ekstern interferens.

3. Reverserende strømblokkering: sikrer stabilitet i strømforsyningen
Eksternt medisinsk utstyr bruker ofte litiumbatterier som strømforsyning. Hvis batteriet er reversert eller ladekretsen svikter, kan det føre til omvendt strømstøt. Schottky-dioder (som SS14) er det foretrukne valget for reverserende strømblokkering på grunn av deres lave foroverspenningsfall (0,2-0,3V) og raske svitsjegenskaper. For eksempel begrenset en viss modell av intelligent overflatemontert defibrillator reversstrømmen til under 0,1 μA etter parallellkobling av SS14-dioden ved batteriutgangsterminalen, langt under batterisikkerhetsterskelen, noe som forlenger enhetens levetid betydelig.

2, Typiske applikasjonsscenarier og kretsdesign
1. ESD-beskyttelse av trådløs kommunikasjonsmodul
Den trådløse modulen til eksternt medisinsk utstyr (som Bluetooth, 4G/5G) må oppfylle IEC 61000-4-5 overspenningsimmunitetsstandarden. Under design må TVS-dioder være parallellkoblet til antennegrensesnitt og dataoverføringslinjer (som I2C, SPI). For eksempel:

D1/D2:SMBJ5.0CA, Beskytt 5V strømledningen;
D3/D4: SLESD5V0LED02 (lav koblingskapasitans 0,28pF), beskytter dataoverføringslinjer.
Denne typen design sikrer at utstyret kan fungere stabilt i fuktige og svette omgivelser, og oppfyller medisinske elektriske sikkerhetsstandarder som IEC 60601-1.

2. Begrensende beskyttelse av fysiologisk signalinnsamlingskrets
Amplituden til elektrokardiogramsignalet (EKG) er bare 1-5mV, som er utsatt for strømfrekvensinterferens (50Hz) og muskelstøy. Ved utforming bør en begrensningskrets kobles i serie ved signalinngangen, for eksempel:

D1/D2:1N4148 diode, som danner en toveis begrenser;
R1/R2:10k Ω spenningsdeler motstand, begrensende strøm;
C1: 0,1 μF filtreringskondensator for å undertrykke høy-støy.
Denne kretsen kan begrense inngangssignalet innenfor ± 0,7V-området, og sikrer normal drift av den påfølgende forsterkeren (som INA128).

3. Omvendt beskyttelse av batteristyringssystem
Bærbare fjernovervåkingsenheter (som smartarmbånd) krever lang-standby, og selvutlading av batteriet og kretslekkasje kan forkorte batterilevetiden. Ved å koble en diode med lav lekkasjestrøm (som BAS70) i ​​serie ved batteriutgangen, kan standby-strømmen reduseres fra 10 μ A til under 0,1 μ A. For eksempel, etter at et bestemt merke av kontinuerlig blodsukkermåler tok i bruk denne løsningen, ble enhetens batterilevetid forlenget fra 3 dager til 10 dager.

3, industritrender og utfordringer
1. Påføring av materialer med brede båndgap
Galliumnitrid (GaN)-baserte dioder har begynt å bli brukt i eksterne medisinske enheter på grunn av deres høye frekvens- og effektivitetsegenskaper. For eksempel har GaN Schottky-dioder en 90 % kortere reversert gjenopprettingstid (trr) enn silisium-baserte enheter, noe som kan redusere energitapet i ladekretser og forbedre enhetens utholdenhet.

2. Integrert design
For å redusere størrelsen på enheten blir dioder integrert med strømstyringsenheter (PMU-er) og BMS-brikker. For eksempel integrerer en enkelt-brikkeløsning lansert av en viss produsent TVS-dioder, spenningsregulatordioder og MOSFET-er i en 0,8 mm × 0,8 mm-pakke for å møte behovene til ultrasmå enheter som smartringer.

3. Balanser lavt strømforbruk og høy pålitelighet
Fjernmedisinsk utstyr er følsomt for strømforbruk, men må samtidig oppfylle høye krav til pålitelighet. Fremtidige dioder må bryte gjennom i følgende retninger:

Lavere spenningsfall fremover: for eksempel bruk av Super Junction-teknologi for å redusere spenningsfallet til Schottky-dioder til under 0,1V;
Høyere reversmotstandsspenning: Utvikle mikrodioder med en motstandsspenning på over 100V for å møte behovene til enheter med høy-effekt;
Intelligent beskyttelsesfunksjon: Kombinerer sensorer og algoritmer for dynamisk å justere diodeparametere og optimalisere beskyttelseseffekter.