Adakah diod digunakan untuk perlindungan isyarat dalam peralatan perubatan jauh?

1, Mekanisme perlindungan isyarat teras diod
1. Perlindungan ESD: Sekat impak elektrik statik
Peranti perubatan jauh, seperti elektrokardiograf mudah alih dan gelang tangan pintar, sering dikendalikan melalui sentuhan manusia dan terdedah kepada terkumpul cas elektrostatik. Apabila antara muka peranti (seperti USB dan modul pengecasan wayarles) bersentuhan dengan konduktor luaran, elektrik statik mungkin menjana puluhan ribu volt voltan tinggi sementara, yang boleh menembusi pin cip atau litar sensor. Diod TVS (seperti SMBJ5.0CA) boleh mengapit voltan ke julat selamat dalam masa ps melalui kesan pecahan Zener (seperti pengapit sistem 5V kepada 10V), dengan rintangan dinamik serendah 0.5 Ω, dan boleh menyerap beberapa kilowatt kuasa lonjakan. Sebagai contoh, jenama tertentu pam insulin berjaya melepasi ujian IEC 61000-4-2 ESD selepas menggunakan diod TVS untuk melindungi antara muka pengecasan, dan fungsi peranti tidak terjejas di bawah lonjakan arus puncak 30A.

2. Mengehadkan isyarat: mengelakkan lebihan voltan
Peralatan perubatan jauh perlu menghantar isyarat fisiologi melalui modul wayarles (seperti Bluetooth, Wi Fi), tetapi hujung penerima antena mungkin menjana lonjakan voltan akibat gangguan persekitaran. Diod biasa (seperti 1N4148) boleh digunakan untuk membina litar pengehad, yang mengehadkan voltan isyarat dalam julat yang selamat. Prinsip kerjanya ialah: apabila voltan masukan melebihi kejatuhan voltan ke hadapan diod (kira-kira 0.7V), diod mengalir, dan tenaga berlebihan digunakan melalui perintang pembahagi voltan untuk mengelakkan kerosakan pada litar berikutnya (seperti penukar ADC) akibat voltan lampau. Sebagai contoh, dalam peralatan pemantauan ketepuan oksigen darah, litar pengehad boleh memastikan bahawa isyarat lemah (tahap mV) keluaran oleh sensor fotoelektrik tidak terjejas oleh gangguan luaran.

3. Penyekatan arus songsang: memastikan kestabilan bekalan kuasa
Peralatan perubatan jauh sering menggunakan bateri litium untuk bekalan kuasa. Jika bateri diterbalikkan atau litar pengecasan gagal, ia boleh menyebabkan lonjakan arus terbalik. Diod Schottky (seperti SS14) adalah pilihan utama untuk menyekat arus terbalik kerana penurunan voltan ke hadapan yang rendah (0.2-0.3V) dan ciri pensuisan pantas. Sebagai contoh, model tertentu defibrilator pelekap permukaan pintar berjaya mengehadkan arus songsang kepada di bawah 0.1 μ A selepas sambungan selari diod SS14 pada terminal keluaran bateri, jauh di bawah ambang keselamatan bateri, memanjangkan hayat perkhidmatan peranti dengan ketara.

2, Senario aplikasi biasa dan reka bentuk litar
1. Perlindungan ESD modul komunikasi tanpa wayar
Modul wayarles peralatan perubatan jauh (seperti Bluetooth, 4G/5G) mesti memenuhi piawaian imuniti lonjakan IEC 61000-4-5. Semasa reka bentuk, diod TVS perlu disambungkan selari dengan antara muka antena dan talian penghantaran data (seperti I2C, SPI). Contohnya:

D1/D2:SMBJ5.0CA, Lindungi kord kuasa 5V;
D3/D4: SLSD5V0LED02 (kapasiti simpang rendah 0.28pF), melindungi talian penghantaran data.
Reka bentuk jenis ini memastikan peralatan boleh beroperasi secara stabil dalam persekitaran yang lembap dan berpeluh, memenuhi piawaian keselamatan elektrik perubatan seperti IEC 60601-1.

2. Mengehadkan perlindungan litar pemerolehan isyarat fisiologi
Amplitud isyarat elektrokardiogram (ECG) hanya 1-5mV, yang terdedah kepada gangguan frekuensi kuasa (50Hz) dan bunyi elektrik otot. Apabila mereka bentuk, litar pengehad hendaklah disambung secara bersiri pada hujung input isyarat, contohnya:

D1/D2:1N4148 diod, membentuk pengehad dua arah;
R1/R2:10k Ω perintang pembahagi voltan, mengehadkan arus;
C1: 0.1 μ F kapasitor penapisan untuk menahan hingar-berfrekuensi tinggi.
Litar ini boleh mengehadkan isyarat input dalam julat ± 0.7V, memastikan operasi normal penguat berikutnya (seperti INA128).

3. Perlindungan terbalik sistem pengurusan bateri
Peranti pemantauan jauh boleh pakai (seperti gelang pintar) memerlukan-bersedia yang lama, dan nyahcas sendiri bateri serta kebocoran litar mungkin memendekkan hayat bateri. Dengan menyambungkan diod arus bocor rendah (seperti BAS70) secara bersiri pada output bateri, arus siap sedia boleh dikurangkan daripada 10 μ A kepada di bawah 0.1 μ A. Contohnya, selepas jenama tertentu monitor glukosa darah berterusan menggunakan penyelesaian ini, hayat bateri peranti dilanjutkan daripada 3 hari kepada 10 hari.

3, Trend dan Cabaran Industri
1. Penggunaan bahan celah jalur lebar
Diod berasaskan galium nitrida (GaN) telah mula digunakan dalam peranti perubatan jauh kerana ciri frekuensi dan kecekapannya yang tinggi. Contohnya, diod GaN Schottky mempunyai masa pemulihan terbalik (trr) 90% lebih pendek daripada peranti berasaskan silikon-, yang boleh mengurangkan kehilangan tenaga dalam litar pengecasan dan meningkatkan daya tahan peranti.

2. Reka bentuk bersepadu
Untuk mengurangkan saiz peranti, diod sedang disepadukan dengan unit pengurusan kuasa (PMU) dan cip BMS. Contohnya, satu-penyelesaian cip yang dilancarkan oleh pengeluar tertentu menyepadukan diod TVS, diod pengawal voltan dan MOSFET ke dalam pakej 0.8mm × 0.8mm untuk memenuhi keperluan peranti ultra kecil seperti gelang pintar.

3. Mengimbangi penggunaan kuasa yang rendah dan kebolehpercayaan yang tinggi
Peralatan perubatan jauh sensitif kepada penggunaan kuasa, tetapi pada masa yang sama perlu memenuhi keperluan kebolehpercayaan yang tinggi. Diod masa depan perlu menerobos ke arah berikut:

Penurunan voltan hadapan yang lebih rendah: seperti menggunakan teknologi Super Junction untuk mengurangkan penurunan voltan diod Schottky kepada di bawah 0.1V;
Voltan tahan terbalik yang lebih tinggi: Bangunkan diod mikro dengan voltan tahan lebih 100V untuk memenuhi keperluan peranti-kuasa tinggi;
Fungsi perlindungan pintar: Menggabungkan penderia dan algoritma untuk melaraskan parameter diod secara dinamik dan mengoptimumkan kesan perlindungan.