Används diod för signalskydd i fjärrmedicinsk utrustning?

1, kärnsignalskyddsmekanismen för dioder
1. ESD-skydd: Dämpa statisk elektricitet
Fjärrmedicinska apparater, såsom bärbara elektrokardiografer och smarta armband, manövreras ofta genom mänsklig kontakt och är benägna att ackumulera elektrostatiska laddningar. När enhetsgränssnitt (som USB och trådlösa laddningsmoduler) kommer i kontakt med externa ledare, kan statisk elektricitet generera tiotusentals volt transient högspänning, som kan bryta igenom chipstift eller sensorkretsar. TVS-dioder (som SMBJ5.0CA) kan klämma spänningen till ett säkert område inom ps-tid genom Zener-nedbrytningseffekten (som 5V-systemklämning till 10V), med ett dynamiskt motstånd så lågt som 0,5 Ω, och kan absorbera flera kilowatts överspänningseffekt. Till exempel klarade ett visst fabrikat av insulinpumpar IEC 61000-4-2 ESD-testet efter att ha använt TVS-diod för att skydda laddningsgränssnittet, och enhetens funktion påverkades inte under 30A toppström.

2. Signalbegränsning: förhindra spänningsöverbelastning
Fjärrmedicinsk utrustning behöver överföra fysiologiska signaler via trådlösa moduler (som Bluetooth, Wi Fi), men antennmottagningsänden kan generera spänningsspikar på grund av miljöstörningar. Vanliga dioder (som 1N4148) kan användas för att konstruera en begränsningskrets, som begränsar signalspänningen inom ett säkert område. Dess arbetsprincip är: när inspänningen överstiger diodens framåtspänningsfall (cirka 0,7V), leder dioden och överskottsenergi förbrukas genom spänningsdelarmotståndet för att undvika skador på den efterföljande kretsen (som ADC-omvandlare) på grund av överspänning. Till exempel, i utrustning för övervakning av blodsyremättnad, kan en begränsningskrets säkerställa att den svaga signalen (mV-nivån) som matas ut från den fotoelektriska sensorn inte påverkas av externa störningar.

3. Omvänd strömblockering: säkerställer strömförsörjningsstabilitet
Fjärrmedicinsk utrustning använder ofta litiumbatterier för strömförsörjning. Om batteriet vänds eller om laddningskretsen misslyckas, kan det orsaka omvänd strömstyrka. Schottky-dioder (som SS14) är det föredragna valet för backströmsblockering på grund av deras låga spänningsfall framåt (0,2-0,3V) och snabba omkopplingsegenskaper. Till exempel har en viss modell av intelligent ytmonterad defibrillator framgångsrikt begränsat backströmmen till under 0,1 μA efter parallellkoppling av SS14-dioden vid batteriutgången, långt under batterisäkerhetströskeln, vilket avsevärt förlänger enhetens livslängd.

2, Typiska tillämpningsscenarier och kretsdesign
1. ESD-skydd för trådlös kommunikationsmodul
Den trådlösa modulen för fjärrmedicinsk utrustning (som Bluetooth, 4G/5G) måste uppfylla IEC 61000-4-5-standarden för överspänningsimmunitet. Under design måste TVS-dioder vara parallellkopplade med antenngränssnitt och dataöverföringsledningar (som I2C, SPI). Till exempel:

D1/D2:SMBJ5.0CA, Skydda 5V nätsladden;
D3/D4: SLESD5V0LED02 (låg korsningskapacitans 0,28pF), skyddar dataöverföringslinjer.
Denna typ av design säkerställer att utrustningen kan fungera stabilt i fuktiga och svettiga miljöer och uppfyller medicinska elektriska säkerhetsstandarder som IEC 60601-1.

2. Begränsande skydd av fysiologisk signalinsamlingskrets
Amplituden för elektrokardiogramsignalen (EKG) är endast 1-5mV, vilket är känsligt för strömfrekvensstörningar (50Hz) och elektriskt muskelbrus. Vid konstruktion bör en begränsningskrets kopplas i serie vid signalingångsänden, till exempel:

D1/D2:1N4148 diod, som bildar en dubbelriktad begränsare;
R1/R2:10k Ω spänningsdelarmotstånd, begränsande ström;
C1: 0,1 μF filtreringskondensator för att undertrycka högfrekvent brus.
Denna krets kan begränsa ingångssignalen inom ± 0,7V-området, vilket säkerställer normal drift av den efterföljande förstärkaren (som INA128).

3. Omvänt skydd av batterihanteringssystem
Bärbara fjärrövervakningsenheter (som smarta armband) kräver lång-standby, och självurladdning av batteriet och kretsläckage kan förkorta batteriets livslängd. Genom att ansluta en diod med låg läckström (som BAS70) i ​​serie vid batteriutgången kan standbyströmmen minskas från 10 μ A till under 0,1 μ A. Till exempel, efter att ett visst märke av kontinuerlig blodsockermonitor antagit denna lösning, förlängdes enhetens batterilivslängd från 3 dagar till 10 dagar.

3, Industritrender och utmaningar
1. Applicering av material med brett bandgap
Galliumnitrid (GaN)-baserade dioder har börjat användas i avlägsna medicinska apparater 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 power management units (PMU) och BMS-chips. 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
Fjärrmedicinsk utrustning är känslig för strömförbrukning, men måste 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-enheter;
Intelligent skyddsfunktion: Kombinerar sensorer och algoritmer för att dynamiskt justera diodparametrar och optimera skyddseffekter.