Apakah dioda digunakan untuk perlindungan sinyal pada peralatan medis jarak jauh?

1, Mekanisme perlindungan sinyal inti dioda
1. Perlindungan ESD: Menekan dampak listrik statis
Perangkat medis jarak jauh, seperti elektrokardiograf portabel dan gelang pintar, sering kali dioperasikan melalui kontak manusia dan rentan terhadap akumulasi muatan elektrostatis. Ketika antarmuka perangkat (seperti USB dan modul pengisian daya nirkabel) bersentuhan dengan konduktor eksternal, listrik statis dapat menghasilkan puluhan ribu volt tegangan tinggi sementara, yang dapat menembus pin chip atau sirkuit sensor. Dioda TVS (seperti SMBJ5.0CA) dapat menjepit tegangan ke kisaran aman dalam waktu ps melalui efek kerusakan Zener (seperti sistem 5V yang menjepit hingga 10V), dengan resistansi dinamis serendah 0,5 Ω, dan dapat menyerap beberapa kilowatt daya lonjakan. Misalnya, pompa insulin merek tertentu berhasil lulus uji ESD IEC 61000-4-2 setelah menggunakan dioda TVS untuk melindungi antarmuka pengisian daya, dan fungsi perangkat tidak terpengaruh pada lonjakan arus puncak 30A.

2. Pembatasan sinyal: mencegah kelebihan tegangan
Peralatan medis jarak jauh perlu mengirimkan sinyal fisiologis melalui modul nirkabel (seperti Bluetooth, Wi Fi), tetapi ujung penerima antena dapat menghasilkan lonjakan tegangan karena gangguan lingkungan. Dioda biasa (seperti 1N4148) dapat digunakan untuk membuat rangkaian pembatas, yang membatasi tegangan sinyal dalam kisaran aman. Prinsip kerjanya adalah: ketika tegangan masukan melebihi penurunan tegangan maju dioda (sekitar 0,7V), dioda bekerja, dan kelebihan energi dikonsumsi melalui resistor pembagi tegangan untuk menghindari kerusakan pada rangkaian berikutnya (seperti konverter ADC) karena tegangan lebih. Misalnya, pada peralatan pemantauan saturasi oksigen darah, rangkaian pembatas dapat memastikan bahwa sinyal lemah (level mV) yang dihasilkan oleh sensor fotolistrik tidak terpengaruh oleh interferensi eksternal.

3. Membalikkan pemblokiran arus: memastikan stabilitas pasokan daya
Peralatan medis jarak jauh sering kali menggunakan baterai litium sebagai catu daya. Jika baterai terbalik atau sirkuit pengisian daya gagal, hal ini dapat menyebabkan lonjakan arus balik. Dioda Schottky (seperti SS14) adalah pilihan yang lebih disukai untuk pemblokiran arus balik karena penurunan tegangan maju yang rendah (0,2-0,3V) dan karakteristik peralihan yang cepat. Misalnya, model defibrilator pemasangan permukaan cerdas tertentu berhasil membatasi arus balik hingga di bawah 0,1 μA setelah sambungan paralel dioda SS14 pada terminal keluaran baterai, jauh di bawah ambang batas keamanan baterai, sehingga secara signifikan memperpanjang masa pakai perangkat.

2, Skenario aplikasi umum dan desain sirkuit
1. Perlindungan ESD modul komunikasi nirkabel
Modul nirkabel peralatan medis jarak jauh (seperti Bluetooth, 4G/5G) harus memenuhi standar imunitas lonjakan IEC 61000-4-5. Selama desain, dioda TVS harus dihubungkan secara paralel ke antarmuka antena dan jalur transmisi data (seperti I2C, SPI). Misalnya:

D1/D2:SMBJ5.0CA, Lindungi kabel listrik 5V;
D3/D4: SLESD5V0LED02 (kapasitansi persimpangan rendah 0,28pF), melindungi jalur transmisi data.
Jenis desain ini memastikan peralatan dapat beroperasi secara stabil di lingkungan lembab dan berkeringat, memenuhi standar keselamatan kelistrikan medis seperti IEC 60601-1.

2. Membatasi perlindungan sirkuit akuisisi sinyal fisiologis
Amplitudo sinyal elektrokardiogram (EKG) hanya 1-5mV yang rentan terhadap gangguan frekuensi daya (50Hz) dan gangguan listrik otot. Saat merancang, rangkaian pembatas harus dihubungkan secara seri pada ujung masukan sinyal, misalnya:

Dioda D1/D2:1N4148, membentuk pembatas dua arah;
R1/R2:10k Ω resistor pembagi tegangan, membatasi arus;
C1: Kapasitor penyaringan 0,1 μF untuk menekan kebisingan frekuensi tinggi.
Sirkuit ini dapat membatasi sinyal input dalam rentang ± 0,7V, memastikan pengoperasian normal amplifier berikutnya (seperti INA128).

3. Perlindungan terbalik dari sistem manajemen baterai
Perangkat pemantauan jarak jauh yang dapat dipakai (seperti gelang pintar) memerlukan-siaga jangka panjang, dan pengosongan daya baterai secara otomatis serta kebocoran sirkuit dapat memperpendek masa pakai baterai. Dengan menghubungkan dioda arus bocor rendah (seperti BAS70) secara seri pada keluaran baterai, arus siaga dapat dikurangi dari 10 μA menjadi di bawah 0,1 μA. Misalnya, setelah monitor glukosa darah kontinu merek tertentu mengadopsi solusi ini, masa pakai baterai perangkat diperpanjang dari 3 hari menjadi 10 hari.

3, Tren dan Tantangan Industri
1. Penerapan material celah pita lebar
Dioda berbasis Gallium nitrida (GaN) sudah mulai diterapkan pada perangkat medis jarak jauh 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 unit manajemen daya (PMU) dan chip BMS. 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 jarak jauh 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 tahanan balik yang lebih tinggi: Mengembangkan dioda mikro dengan tegangan tahanan lebih dari 100V untuk memenuhi kebutuhan perangkat-berdaya tinggi;
Fungsi perlindungan cerdas: Menggabungkan sensor dan algoritma untuk menyesuaikan parameter dioda secara dinamis dan mengoptimalkan efek perlindungan.