อุปกรณ์สวมใส่ทางการแพทย์สามารถปกป้องแบตเตอรี่ผ่านไดโอดได้อย่างไร

1 กลไกการป้องกันหลักของไดโอด
1. การปิดกั้นกระแสย้อนกลับ: ป้องกันการลัดวงจรของแบตเตอรี่และการสูญเสียพลังงาน
ขั้วเอาต์พุตแบตเตอรี่ของอุปกรณ์สวมใส่ทางการแพทย์ (เช่น กำไลข้อมืออัจฉริยะและเครื่องวัดระดับน้ำตาลในเลือดแบบต่อเนื่อง) จะต้องจำกัดทิศทางของกระแสไฟฟ้าอย่างเคร่งครัด หากกระแสไฟฟ้าไหลย้อนกลับเนื่องจากวงจรขัดข้อง อาจทำให้แบตเตอรี่ลัดวงจร เกิดความร้อน หรือแม้กระทั่งระเบิดได้ ณ จุดนี้ ไดโอด Schottky (เช่น SS14, SS110) กลายเป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับการบล็อกกระแสย้อนกลับ เนื่องจากมีแรงดันตกคร่อมไปข้างหน้าต่ำ (0.2-0.3V) และคุณลักษณะการสลับที่รวดเร็ว หลักการทำงานของมันคือ:

การนำไปข้างหน้า: เมื่อแบตเตอรี่หมดตามปกติ ไดโอดจะอยู่ในสถานะต้านทานต่ำ และกระแสไหลผ่านได้อย่างราบรื่น
Reverse cutoff: หากกระแสพยายามไหลย้อนกลับ ไดโอดจะเข้าสู่สถานะอิมพีแดนซ์สูงอย่างรวดเร็ว และปิดกั้นเส้นทางปัจจุบัน
ตัวอย่างเช่น สายรัดข้อมืออัจฉริยะบางรุ่นใช้ไดโอด SS14 ขนานกับขั้วเอาต์พุตแบตเตอรี่ ในการทดสอบกระแสย้อนกลับ กระแสไฟถูกจำกัดได้สำเร็จที่ต่ำกว่า 0.1 μ A ซึ่งต่ำกว่าเกณฑ์ความปลอดภัยของแบตเตอรี่มาก

2. การป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกิน: ลดไฟกระชากในการชาร์จและผลกระทบจาก ESD
อุปกรณ์ทางการแพทย์มีข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) และอินเทอร์เฟซการชาร์จหรือไฟฟ้าสถิตของมนุษย์อาจสร้างไฟฟ้าแรงสูงชั่วคราว (สูงถึงหลายพันโวลต์) ซึ่งสามารถทะลุผ่านชิปการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ได้ ไดโอดลดแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว (TVS) เช่น SMBJ5.0CA และ SLESD5V0LED02 สามารถจับแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในช่วงที่ปลอดภัยภายในเวลา ps ผ่านเอฟเฟกต์การแยกซีเนอร์

แรงดันไฟฟ้าในการหนีบ: เมื่อไดโอด TVS ประสบความล้มเหลวแบบย้อนกลับ แรงดันไฟฟ้าจะจำกัดไว้ที่ค่าที่ตั้งไว้ล่วงหน้า (เช่น การหนีบไดโอดไว้ที่ 10V ในระบบ 5V)
ความต้านทานไดนามิกต่ำ: ความต้านทานไดนามิกทั่วไป (RDYN) ต่ำกว่า 0.5 Ω ทำให้มั่นใจได้ว่าแรงดันไฟฟ้าตกที่ควบคุมได้ภายใต้กระแสสูง
ความจุของจุดเชื่อมต่อต่ำ: ตัวอย่างเช่น ความจุของจุดเชื่อมต่อของ SLESD5V0LED02 มีค่าเพียง 0.28pF เพื่อหลีกเลี่ยงการบิดเบือนสัญญาณความถี่สูง-
เครื่องตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจแบบพกพาใช้อินเทอร์เฟซการชาร์จแบบป้องกันไดโอด SMBJ5.0CA และทนทานต่อกระแสไฟกระชากสูงสุด 30A ในการทดสอบ ESD ของ IEC 61000-4-2 โดยไม่มีความผิดปกติในการทำงานใดๆ

3. การป้องกันการชาร์จไฟเกิน/การคายประจุเกิน: ยืดอายุวงจรแบตเตอรี่
Overcharging (voltage>4.2V) หรือการคายประจุเกิน (แรงดันไฟฟ้า<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:

การป้องกันการชาร์จไฟเกิน: เมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นถึงเกณฑ์ ไดโอดควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะดำเนินการ กระตุ้นให้ MOSFET ตัดวงจรการชาร์จ
การป้องกันการคายประจุเกิน: แรงดันไฟฟ้าจะถูกตรวจสอบผ่านตัวต้านทานตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า เมื่อแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าค่าที่ปลอดภัย ไดโอดควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะทำงานและตัดการเชื่อมต่อวงจรเปิด
หลังจากใช้โซลูชันนี้ อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ของปั๊มอินซูลินบางยี่ห้อเพิ่มขึ้นจาก 500 เท่าเป็นมากกว่า 2,000 เท่า และอัตราความล้มเหลวลดลง 80%

2 สถานการณ์การใช้งานทั่วไปและการออกแบบวงจร
1. การป้องกันอินเทอร์เฟซการชาร์จอุปกรณ์สวมใส่
อุปกรณ์สวมใส่ทางการแพทย์ (เช่น แพทช์อัจฉริยะ) โดยทั่วไปจะใช้ไมโคร USB หรืออินเทอร์เฟซการชาร์จแบบแม่เหล็ก ซึ่งไวต่อ ESD และแรงดันไฟกระชาก ในระหว่างการออกแบบ ไดโอด TVS จะต้องเชื่อมต่อแบบขนานกับสายข้อมูล/สายไฟ ตัวอย่างเช่น:

D1/D2:SMBJ5.0CA ป้องกันสายไฟ 5V;
D3/D4:SLESD5V0LED02 ป้องกันสายส่งข้อมูล (เช่น I2C, SPI)
การออกแบบประเภทนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าอุปกรณ์ยังคงสามารถทำงานได้อย่างเสถียรในสภาพแวดล้อมที่ชื้นและมีเหงื่อออกมาก โดยเป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัยทางไฟฟ้าทางการแพทย์ IEC 60601-1

2. การป้องกันการย้อนกลับของก้อนแบตเตอรี่
ในสถานการณ์ที่มีการเชื่อมต่อแบตเตอรี่หลายก้อนแบบอนุกรม (เช่น เครื่องกระตุ้นหัวใจ) หากแบตเตอรี่หนึ่งกลับด้าน อาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรในชุดแบตเตอรี่ทั้งหมดได้ ในเวลานี้ ไดโอดชอตกี (เช่น BAV21W) จำเป็นต้องเชื่อมต่อแบบขนานที่ปลายทั้งสองของแบตเตอรี่แต่ละก้อน โดยมีแรงดันไฟฟ้าทนย้อนกลับได้สูงถึง 200V และแรงดันไฟฟ้าทนไปข้างหน้าลดลงเหลือ 0.3V ซึ่งไม่เพียงหลีกเลี่ยงการสูญเสียพลังงานเท่านั้น แต่ยังป้องกันการหนีความร้อนที่เกิดจากการเชื่อมต่อแบบย้อนกลับอีกด้วย

3. การป้องกันสแตนด์บายพลังงานต่ำ
อุปกรณ์สวมใส่ทางการแพทย์ต้องมีการสแตนด์บายในระยะยาว- และการคายประจุแบตเตอรี่เองและกระแสไฟฟ้ารั่วของวงจรอาจทำให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่สั้นลง ด้วยการเชื่อมต่อไดโอดกระแสไฟรั่วต่ำ (เช่น BAS70) อนุกรมกับเอาท์พุตแบตเตอรี่ กระแสไฟสแตนด์บายจะลดลงจาก 10 μ A เป็นต่ำกว่า 0.1 μ A ซึ่งช่วยยืดเวลาการใช้งานของอุปกรณ์ได้อย่างมาก

3 แนวโน้มอุตสาหกรรมและความท้าทาย
1. การใช้วัสดุ bandgap แบบกว้าง
ไดโอดที่ใช้แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ได้เริ่มนำมาใช้ในอุปกรณ์สวมใส่ทางการแพทย์แล้ว เนื่องจากมีความถี่และคุณลักษณะที่มีประสิทธิภาพสูง ตัวอย่างเช่น ไดโอด GaN Schottky มีระยะเวลาการกู้คืนแบบย้อนกลับ (trr) สั้นกว่าอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอน- ถึง 90% ซึ่งสามารถลดการสูญเสียพลังงานในวงจรการชาร์จและปรับปรุงความทนทานของอุปกรณ์ได้

2. การออกแบบแบบบูรณาการ
เพื่อลดขนาดของอุปกรณ์ ไดโอดจึงถูกรวมเข้ากับชิป BMS และหน่วยจัดการพลังงาน (PMU) ตัวอย่างเช่น โซลูชันชิปตัวเดียว-ที่เปิดตัวโดยผู้ผลิตบางรายได้รวมไดโอด TVS, ไดโอดควบคุมแรงดันไฟฟ้า และ MOSFET ไว้ในแพ็คเกจขนาด 0.8 มม. × 0.8 มม. เพื่อตอบสนองความต้องการของอุปกรณ์ขนาดเล็กพิเศษ เช่น วงแหวนอัจฉริยะ

3. ปรับสมดุลการใช้พลังงานต่ำและความน่าเชื่อถือสูง
อุปกรณ์ทางการแพทย์ไวต่อการใช้พลังงาน แต่ในขณะเดียวกันก็ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือในระดับสูง ไดโอดในอนาคตจะต้องเจาะทะลุไปในทิศทางต่อไปนี้:

แรงดันตกคร่อมไปข้างหน้าต่ำ: เช่น การใช้เทคโนโลยี Super Junction เพื่อลดแรงดันตกคร่อมของไดโอด Schottky ให้ต่ำกว่า 0.1V;
แรงดันไฟฟ้าต้านทานย้อนกลับที่สูงขึ้น: พัฒนาไมโครไดโอดที่มีแรงดันไฟฟ้าต้านทานมากกว่า 100V เพื่อตอบสนองความต้องการของอุปกรณ์ทางการแพทย์กำลังสูง-
ฟังก์ชั่นการป้องกันอัจฉริยะ: การรวมเซ็นเซอร์และอัลกอริธึมเพื่อปรับพารามิเตอร์ไดโอดแบบไดนามิกและเพิ่มประสิทธิภาพเอฟเฟกต์การป้องกัน