Hur kan medicinska bärbara enheter skydda sina batterier genom dioder?

1, Core skyddsmekanism av dioder
1. Omvänd strömblockering: förhindrar batterikortslutning och energiförlust
Batteriutgången på medicinska bärbara enheter (som smarta armband och kontinuerliga blodsockermätare) måste strikt begränsa strömriktningen. Om strömmen flyter i omvänd riktning på grund av kretsfel kan det orsaka batterikortslutning, uppvärmning eller till och med explosion. Vid denna tidpunkt blir Schottky-dioder (som SS14, SS110) det föredragna valet för backströmsblockering på grund av deras låga spänningsfall framåt (0,2-0,3V) och snabba omkopplingsegenskaper. Dess arbetsprincip är:

Framåtledning: När batteriet laddas ur normalt är dioden i ett lågresistanstillstånd och strömmen går jämnt;
Omvänd cutoff: Om strömmen försöker flyta i omvänd riktning, går dioden snabbt in i ett högimpedanstillstånd, vilket blockerar strömvägen.
Till exempel använder en viss modell av smart armband SS14-diod parallellt med batteriutgången. I testet med omvänd ström begränsades strömmen framgångsrikt till under 0,1 μ A, långt under batterisäkerhetströskeln.

2. Överspänningsskydd: Dämpa laddningsstötar och ESD-påverkan
Medicinsk utrustning har strikta krav på elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), och laddningsgränssnitt eller mänsklig statisk elektricitet kan generera övergående högspänning (upp till tusentals volt), som kan penetrera batterihanteringschip (BMS). Transienta spänningsundertryckningsdioder (TVS) som SMBJ5.0CA och SLESD5V0LED02 kan klämma spänningen till ett säkert område inom ps-tid genom Zener-nedbrytningseffekten

Spänningsspänning: När TVS-dioden upplever omvänd sammanbrott begränsar den spänningen till ett förinställt värde (som att klämma fast dioden till 10V i ett 5V-system);
Lågt dynamiskt motstånd: Det typiska dynamiska motståndet (RDYN) är under 0,5 Ω, vilket säkerställer kontrollerbart spänningsfall under hög ström;
Låg korsningskapacitans: Till exempel är korsningskapacitansen för SLESD5V0LED02 endast 0,28pF för att undvika hög-signaldistorsion.
En bärbar elektrokardiograf använder SMBJ5.0CA diodskyddsladdningsgränssnitt och klarar framgångsrikt 30A toppströmstöt i IEC 61000-4-2 ESD-test utan några funktionella abnormiteter.

3. Överladdnings-/överladdningsskydd: Förläng batterilivslängden
Overcharging (voltage>4,2V) eller överurladdning (spänning<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:

Överladdningsskydd: När batterispänningen stiger till tröskeln leder spänningsregulatordioden, vilket utlöser MOSFET:en att bryta laddningskretsen;
Överurladdningsskydd: Spänningen övervakas genom ett spänningsdelarmotstånd. När spänningen är under det säkra värdet leder spänningsregulatordioden och den öppna kretsen kopplas bort.
Efter att ha antagit denna lösning ökades battericykelns livslängd för ett visst märke av insulinpump från 500 gånger till över 2000 gånger, och felfrekvensen minskade med 80 %.

2, Typiska tillämpningsscenarier och kretsdesign
1. Skydd för laddningsgränssnitt för bärbar enhet
Medicinska bärbara enheter (som smarta patchar) använder vanligtvis mikro-USB eller magnetiska laddningsgränssnitt, som är känsliga för ESD och överspänning. Vid design måste TVS-dioder kopplas parallellt på data-/kraftledningarna, till exempel:

D1/D2:SMBJ5.0CA, Skydda 5V nätsladden;
D3/D4:SLESD5V0LED02, Skydda dataöverföringslinjer (som I2C, SPI).
Denna typ av design säkerställer att utrustningen fortfarande kan fungera stabilt i fuktiga och svettiga miljöer, och uppfyller IEC 60601-1 medicinsk elektrisk säkerhetsstandard.

2. Omvänt skydd av batteripaketet
I scenarier där flera batterier är anslutna i serie (t.ex. defibrillatorer), om ett batteri vänds om, kan det orsaka kortslutning i hela batteripaketet. Vid denna tidpunkt måste Schottky-dioder (som BAV21W) kopplas parallellt i båda ändarna av varje batteri, med en omvänd mothållsspänning på upp till 200V och en framåthållningsspänning reducerad till 0,3V, vilket inte bara undviker energiförlust utan också förhindrar termisk rusning orsakad av omvänd anslutning.

3. Låg effekt standby-skydd
Medicinska bärbara enheter kräver lång-standby, och självurladdning av batteriet och läckström kan förkorta batteriets livslängd. Genom att ansluta en diod med låg läckström (som BAS70) i ​​serie med batteriutgången kan standbyströmmen minskas från 10 μ A till under 0,1 μ A, vilket avsevärt förlänger enhetens användningstid.

3, Industritrender och utmaningar
1. Applicering av material med breda bandgap
Galliumnitrid (GaN)-baserade dioder har börjat användas i medicinska bärbara enheter på grund av deras höga frekvens- och effektivitetsegenskaper. Till exempel har GaN Schottky-dioder en 90 % kortare omvänd återhämtningstid (trr) än kisel-baserade enheter, vilket kan minska energiförlusten i laddningskretsar och förbättra enhetens uthållighet.

2. Integrerad design
För att minska storleken på enheten integreras dioder med BMS-chips och power management-enheter (PMU). Till exempel integrerar en enkel-chiplösning som lanserats av en viss tillverkare TVS-dioder, spänningsregulatordioder och MOSFETs i ett 0,8 mm × 0,8 mm-paket för att möta behoven hos ultrasmå enheter som smarta ringar.

3. Balansera låg strömförbrukning och hög tillförlitlighet
Medicinsk utrustning är känslig för strömförbrukning, men behöver samtidigt uppfylla höga krav på tillförlitlighet. Framtida dioder måste slå igenom i följande riktningar:

Lägre framåtspänningsfall: som att använda Super Junction-teknik för att minska spänningsfallet för Schottky-dioder till under 0,1V;
Högre omvänd mothållsspänning: Utveckla mikrodioder med en motståndsspänning på över 100V för att möta behoven hos hög-medicinsk utrustning;
Intelligent skyddsfunktion: Kombinerar sensorer och algoritmer för att dynamiskt justera diodparametrar och optimera skyddseffekter.