मेडिकल पहनने योग्य उपकरण डायोड के माध्यम से अपनी बैटरी की सुरक्षा कैसे कर सकते हैं?

1, डायोड का कोर सुरक्षा तंत्र
1. रिवर्स करंट ब्लॉकिंग: बैटरी शॉर्ट सर्किट और ऊर्जा हानि को रोकता है
चिकित्सा पहनने योग्य उपकरणों (जैसे स्मार्ट कंगन और निरंतर रक्त ग्लूकोज मॉनिटर) के बैटरी आउटपुट टर्मिनल को वर्तमान की दिशा को सख्ती से सीमित करना चाहिए। यदि सर्किट विफलता के कारण करंट विपरीत दिशा में प्रवाहित होता है, तो इससे बैटरी में शॉर्ट सर्किट, हीटिंग या यहां तक ​​कि विस्फोट भी हो सकता है। इस बिंदु पर, शोट्की डायोड (जैसे एसएस14, एसएस110) अपने कम फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप (0.2-0.3वी) और तेज स्विचिंग विशेषताओं के कारण रिवर्स करंट ब्लॉकिंग के लिए पसंदीदा विकल्प बन जाते हैं। इसका कार्य सिद्धांत है:

आगे का संचालन: जब बैटरी को सामान्य रूप से डिस्चार्ज किया जाता है, तो डायोड कम प्रतिरोध की स्थिति में होता है और करंट सुचारू रूप से गुजरता है;
रिवर्स कटऑफ: यदि करंट विपरीत दिशा में प्रवाहित होने का प्रयास करता है, तो डायोड तेजी से उच्च प्रतिबाधा स्थिति में प्रवेश करता है, जिससे वर्तमान पथ अवरुद्ध हो जाता है।
उदाहरण के लिए, स्मार्ट ब्रेसलेट का एक निश्चित मॉडल बैटरी आउटपुट टर्मिनल के समानांतर SS14 डायोड का उपयोग करता है। रिवर्स करंट परीक्षण में, करंट को बैटरी सुरक्षा सीमा से काफी नीचे 0.1 μA तक सफलतापूर्वक सीमित किया गया था।

2. ओवरवॉल्टेज सुरक्षा: चार्जिंग सर्ज और ईएसडी प्रभावों को रोकें
चिकित्सा उपकरणों में विद्युत चुम्बकीय संगतता (ईएमसी) के लिए सख्त आवश्यकताएं होती हैं, और चार्जिंग इंटरफेस या मानव स्थैतिक बिजली क्षणिक उच्च वोल्टेज (हजारों वोल्ट तक) उत्पन्न कर सकती है, जो बैटरी प्रबंधन चिप्स (बीएमएस) में प्रवेश कर सकती है। क्षणिक वोल्टेज दमन डायोड (टीवीएस) जैसे कि SMBJ5.0CA और SLESD5V0LED02 जेनर ब्रेकडाउन प्रभाव के माध्यम से पीएस समय के भीतर वोल्टेज को एक सुरक्षित सीमा तक क्लैंप कर सकते हैं।

क्लैंपिंग वोल्टेज: जब टीवीएस डायोड रिवर्स ब्रेकडाउन का अनुभव करता है, तो यह वोल्टेज को पूर्व निर्धारित मान तक सीमित कर देता है (जैसे कि 5V सिस्टम में डायोड को 10V तक क्लैंप करना);
कम गतिशील प्रतिरोध: विशिष्ट गतिशील प्रतिरोध (आरडीवाईएन) 0.5 Ω से नीचे है, जो उच्च धारा के तहत नियंत्रणीय वोल्टेज ड्रॉप सुनिश्चित करता है;
कम जंक्शन कैपेसिटेंस: उदाहरण के लिए, उच्च आवृत्ति सिग्नल विरूपण से बचने के लिए SLESD5V0LED02 का जंक्शन कैपेसिटेंस केवल 0.28pF है।
एक पोर्टेबल इलेक्ट्रोकार्डियोग्राफ़ SMBJ5.0CA डायोड सुरक्षा चार्जिंग इंटरफ़ेस को अपनाता है, और बिना किसी कार्यात्मक असामान्यता के IEC 61000-4-2 ESD परीक्षण में 30A पीक करंट उछाल को सफलतापूर्वक झेलता है।

3. ओवरचार्ज/ओवरडिस्चार्ज सुरक्षा: बैटरी चक्र जीवन बढ़ाएँ
Overcharging (voltage>4.2V) या ओवरडिस्चार्जिंग (वोल्टेज)।<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:

ओवरचार्ज सुरक्षा: जब बैटरी वोल्टेज थ्रेशोल्ड तक बढ़ जाता है, तो वोल्टेज नियामक डायोड संचालित होता है, जिससे चार्जिंग सर्किट को काटने के लिए MOSFET ट्रिगर हो जाता है;
ओवरडिस्चार्ज सुरक्षा: वोल्टेज की निगरानी वोल्टेज विभक्त अवरोधक के माध्यम से की जाती है। जब वोल्टेज सुरक्षित मान से नीचे होता है, तो वोल्टेज नियामक डायोड संचालित होता है और खुला सर्किट डिस्कनेक्ट हो जाता है।
इस समाधान को अपनाने के बाद, एक निश्चित ब्रांड के इंसुलिन पंप का बैटरी चक्र जीवन 500 गुना से बढ़कर 2000 गुना से अधिक हो गया, और विफलता दर 80% कम हो गई।

2, विशिष्ट अनुप्रयोग परिदृश्य और सर्किट डिज़ाइन
1. पहनने योग्य डिवाइस चार्जिंग इंटरफ़ेस सुरक्षा
चिकित्सा पहनने योग्य उपकरण (जैसे स्मार्ट पैच) आमतौर पर माइक्रो यूएसबी या चुंबकीय चार्जिंग इंटरफेस का उपयोग करते हैं, जो ईएसडी और सर्ज वोल्टेज के प्रति संवेदनशील होते हैं। डिज़ाइन के दौरान, टीवीएस डायोड को डेटा/पावर लाइनों पर समानांतर में कनेक्ट करने की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए:

D1/D2:SMBJ5.0CA, 5V पावर कॉर्ड को सुरक्षित रखें;
D3/D4:SLESD5V0LED02, डेटा ट्रांसमिशन लाइनों (जैसे I2C, SPI) को सुरक्षित रखें।
इस प्रकार का डिज़ाइन यह सुनिश्चित करता है कि उपकरण आईईसी 60601-1 चिकित्सा विद्युत सुरक्षा मानक को पूरा करते हुए आर्द्र और पसीने वाले वातावरण में भी स्थिर रूप से काम कर सकता है।

2. बैटरी पैक की रिवर्स सुरक्षा
ऐसे परिदृश्यों में जहां कई बैटरियां श्रृंखला में जुड़ी हुई हैं (जैसे डिफाइब्रिलेटर), यदि एक बैटरी को उलट दिया जाता है, तो इससे पूरे बैटरी पैक में शॉर्ट सर्किट हो सकता है। इस समय, शॉट्की डायोड (जैसे BAV21W) को प्रत्येक बैटरी के दोनों सिरों पर समानांतर में कनेक्ट करने की आवश्यकता होती है, जिसमें 200V तक का रिवर्स झेलने वाला वोल्टेज और 0.3V तक कम होने वाला फॉरवर्ड झेलने वाला वोल्टेज होता है, जो न केवल ऊर्जा हानि से बचाता है बल्कि रिवर्स कनेक्शन के कारण होने वाले थर्मल रनवे को भी रोकता है।

3. कम बिजली स्टैंडबाय सुरक्षा
मेडिकल पहनने योग्य उपकरणों को लंबे समय तक स्टैंडबाय की आवश्यकता होती है, और बैटरी सेल्फ डिस्चार्ज और सर्किट लीकेज करंट से बैटरी का जीवन छोटा हो सकता है। बैटरी आउटपुट के साथ श्रृंखला में एक कम लीकेज करंट डायोड (जैसे BAS70) को जोड़कर, स्टैंडबाय करंट को 10 μA से घटाकर 0.1 μA से कम किया जा सकता है, जिससे डिवाइस के उपयोग का समय काफी बढ़ जाता है।

3, उद्योग के रुझान और चुनौतियाँ
1. विस्तृत बैंडगैप सामग्री का अनुप्रयोग
गैलियम नाइट्राइड (GaN) आधारित डायोड को उनकी उच्च आवृत्ति और दक्षता विशेषताओं के कारण चिकित्सा पहनने योग्य उपकरणों में लागू किया जाना शुरू हो गया है। उदाहरण के लिए, GaN शोट्की डायोड में सिलिकॉन आधारित उपकरणों की तुलना में 90% कम रिवर्स रिकवरी टाइम (trr) होता है, जो चार्जिंग सर्किट में ऊर्जा हानि को कम कर सकता है और डिवाइस की सहनशक्ति में सुधार कर सकता है।

2. एकीकृत डिजाइन
डिवाइस के आकार को कम करने के लिए, डायोड को बीएमएस चिप्स और पावर प्रबंधन इकाइयों (पीएमयू) के साथ एकीकृत किया जा रहा है। उदाहरण के लिए, एक निश्चित निर्माता द्वारा लॉन्च किया गया एकल चिप समाधान स्मार्ट रिंग जैसे अल्ट्रा छोटे उपकरणों की जरूरतों को पूरा करने के लिए टीवीएस डायोड, वोल्टेज रेगुलेटर डायोड और एमओएसएफईटी को 0.8 मिमी × 0.8 मिमी पैकेज में एकीकृत करता है।

3. कम बिजली की खपत और उच्च विश्वसनीयता को संतुलित करें
चिकित्सा उपकरण बिजली की खपत के प्रति संवेदनशील हैं, लेकिन साथ ही उन्हें उच्च विश्वसनीयता आवश्यकताओं को पूरा करने की आवश्यकता होती है। भविष्य के डायोड को निम्नलिखित दिशाओं में तोड़ना होगा:

आगे की ओर कम वोल्टेज ड्रॉप: जैसे कि शॉट्की डायोड के वोल्टेज ड्रॉप को 0.1V से कम करने के लिए सुपर जंक्शन तकनीक का उपयोग करना;
उच्च रिवर्स वोल्टेज को झेलने के लिए: उच्च {{1}शक्ति वाले चिकित्सा उपकरणों की जरूरतों को पूरा करने के लिए 100V से अधिक के वोल्टेज को झेलने वाले माइक्रो डायोड विकसित करें;
बुद्धिमान सुरक्षा फ़ंक्शन: डायोड मापदंडों को गतिशील रूप से समायोजित करने और सुरक्षा प्रभावों को अनुकूलित करने के लिए सेंसर और एल्गोरिदम का संयोजन।