Bagaimana perangkat medis yang dapat dipakai melindungi baterainya melalui dioda?

1, Mekanisme perlindungan inti dioda
1. Pemblokiran arus balik: mencegah korsleting baterai dan kehilangan energi
Terminal keluaran baterai perangkat medis yang dapat dipakai (seperti gelang pintar dan monitor glukosa darah berkelanjutan) harus membatasi arah arus secara ketat. Jika arus mengalir terbalik karena kegagalan rangkaian, hal ini dapat menyebabkan baterai mengalami korsleting, panas, atau bahkan ledakan. Pada titik ini, dioda Schottky (seperti SS14, SS110) menjadi pilihan yang lebih disukai untuk pemblokiran arus balik karena penurunan tegangan maju yang rendah (0,2-0,3V) dan karakteristik peralihan yang cepat. Prinsip kerjanya adalah:

Konduksi maju: Ketika baterai habis secara normal, dioda berada dalam keadaan resistansi rendah dan arus mengalir dengan lancar;
Reverse cutoff: Jika arus mencoba mengalir secara terbalik, dioda dengan cepat memasuki keadaan impedansi tinggi, menghalangi jalur arus.
Misalnya, model gelang pintar tertentu menggunakan dioda SS14 secara paralel dengan terminal keluaran baterai. Dalam pengujian arus balik, arus berhasil dibatasi hingga di bawah 0,1 μA, jauh di bawah ambang batas keamanan baterai.

2. Perlindungan tegangan lebih: Menekan lonjakan pengisian daya dan dampak ESD
Peralatan medis memiliki persyaratan ketat untuk kompatibilitas elektromagnetik (EMC), dan antarmuka pengisian daya atau listrik statis manusia dapat menghasilkan tegangan tinggi sementara (hingga ribuan volt), yang dapat menembus chip manajemen baterai (BMS). Dioda penekan tegangan transien (TVS) seperti SMBJ5.0CA dan SLESD5V0LED02 dapat menjepit tegangan ke kisaran aman dalam waktu ps melalui efek kerusakan Zener

Tegangan penjepit: Ketika dioda TVS mengalami kerusakan terbalik, tegangan akan dibatasi ke nilai yang telah ditetapkan (seperti menjepit dioda ke 10V dalam sistem 5V);
Resistansi dinamis rendah: Resistansi dinamis tipikal (RDYN) di bawah 0,5 Ω, memastikan penurunan tegangan terkendali di bawah arus tinggi;
Kapasitansi sambungan rendah: Misalnya, kapasitansi sambungan SLESD5V0LED02 hanya 0,28pF untuk menghindari distorsi sinyal frekuensi tinggi.
Elektrokardiograf portabel mengadopsi antarmuka pengisian daya perlindungan dioda SMBJ5.0CA, dan berhasil menahan lonjakan arus puncak 30A dalam uji ESD IEC 61000-4-2 tanpa kelainan fungsional apa pun.

3. Perlindungan Overcharge/Overdischarge: Memperpanjang Umur Siklus Baterai
Overcharging (voltage>4.2V) atau pemakaian berlebih (tegangan<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:

Perlindungan overcharge: Ketika tegangan baterai naik ke ambang batas, dioda pengatur tegangan bekerja, memicu MOSFET untuk memutus sirkuit pengisian daya;
Perlindungan overdischarge: Tegangan dipantau melalui resistor pembagi tegangan. Ketika tegangan berada di bawah nilai aman, dioda pengatur tegangan bekerja dan rangkaian terbuka diputus.
Setelah mengadopsi solusi ini, masa pakai baterai pompa insulin merek tertentu meningkat dari 500 kali lipat menjadi lebih dari 2000 kali lipat, dan tingkat kegagalan berkurang sebesar 80%.

2, Skenario aplikasi umum dan desain sirkuit
1. Perlindungan antarmuka pengisian daya perangkat yang dapat dipakai
Perangkat medis yang dapat dipakai (seperti smart patch) biasanya menggunakan mikro USB atau antarmuka pengisian daya magnetis, yang rentan terhadap ESD dan lonjakan tegangan. Pada saat perancangan, dioda TVS perlu dihubungkan secara paralel pada saluran data/listrik, misalnya:

D1/D2:SMBJ5.0CA, Lindungi kabel listrik 5V;
D3/D4:SLESD5V0LED02, Lindungi jalur transmisi data (seperti I2C, SPI).
Jenis desain ini memastikan peralatan tetap dapat beroperasi secara stabil di lingkungan lembab dan berkeringat, sehingga memenuhi standar keselamatan kelistrikan medis IEC 60601-1.

2. Perlindungan terbalik pada baterai
Dalam skenario di mana beberapa baterai dihubungkan secara seri (seperti defibrilator), jika satu baterai dibalik, hal ini dapat menyebabkan korsleting di seluruh unit baterai. Pada saat ini, dioda Schottky (seperti BAV21W) perlu dihubungkan secara paralel di kedua ujung setiap baterai, dengan tegangan penahan balik hingga 200V dan tegangan penahan maju dikurangi menjadi 0,3V, yang tidak hanya menghindari kehilangan energi tetapi juga mencegah pelarian termal yang disebabkan oleh sambungan terbalik.

3. Perlindungan siaga daya rendah
Perangkat medis yang dapat dikenakan memerlukan{0}}siaga jangka panjang, dan pengosongan daya baterai secara otomatis serta kebocoran arus sirkuit dapat memperpendek masa pakai baterai. Dengan menghubungkan dioda arus bocor rendah (seperti BAS70) secara seri dengan keluaran baterai, arus siaga dapat dikurangi dari 10 μA menjadi di bawah 0,1 μA, sehingga memperpanjang waktu penggunaan perangkat secara signifikan.

3, Tren dan Tantangan Industri
1. Penerapan material celah pita lebar
Dioda berbasis Gallium nitrida (GaN) telah mulai diterapkan pada perangkat medis yang dapat dipakai karena karakteristik frekuensi dan efisiensinya yang tinggi. Misalnya, dioda GaN Schottky memiliki waktu pemulihan balik (trr) 90% lebih pendek dibandingkan perangkat berbasis silikon-, sehingga dapat mengurangi kehilangan energi di sirkuit pengisian daya dan meningkatkan daya tahan perangkat.

2. Desain terintegrasi
Untuk mengurangi ukuran perangkat, dioda diintegrasikan dengan chip BMS dan unit manajemen daya (PMU). Misalnya, solusi-chip tunggal yang diluncurkan oleh produsen tertentu mengintegrasikan dioda TVS, dioda pengatur tegangan, dan MOSFET ke dalam paket berukuran 0,8 mm × 0,8 mm untuk memenuhi kebutuhan perangkat ultra kecil seperti cincin pintar.

3. Seimbangkan konsumsi daya yang rendah dan keandalan yang tinggi
Peralatan medis sensitif terhadap konsumsi daya, namun pada saat yang sama harus memenuhi persyaratan keandalan yang tinggi. Dioda masa depan perlu ditembus ke arah berikut:

Penurunan tegangan maju yang lebih rendah: seperti menggunakan teknologi Super Junction untuk mengurangi penurunan tegangan dioda Schottky hingga di bawah 0,1V;
Tegangan balik yang lebih tinggi: Mengembangkan dioda mikro dengan tegangan tahan lebih dari 100V untuk memenuhi kebutuhan peralatan medis berdaya-tinggi;
Fungsi perlindungan cerdas: Menggabungkan sensor dan algoritma untuk menyesuaikan parameter dioda secara dinamis dan mengoptimalkan efek perlindungan.