Điốt có được sử dụng để bảo vệ tín hiệu trong thiết bị y tế từ xa không?

1, Cơ chế bảo vệ tín hiệu cốt lõi của điốt
1. Bảo vệ ESD: Ngăn chặn tác động tĩnh điện
Các thiết bị y tế từ xa, chẳng hạn như máy điện tâm đồ cầm tay và dây đeo cổ tay thông minh, thường được vận hành thông qua sự tiếp xúc của con người và dễ tích tụ điện tích. Khi giao diện của thiết bị (như mô-đun USB và sạc không dây) tiếp xúc với dây dẫn bên ngoài, tĩnh điện có thể tạo ra điện áp cao nhất thời hàng chục nghìn volt, có thể làm đứt các chân chip hoặc mạch cảm biến. Điốt TVS (chẳng hạn như SMBJ5.0CA) có thể kẹp điện áp ở phạm vi an toàn trong thời gian ps thông qua hiệu ứng đánh thủng Zener (chẳng hạn như hệ thống 5V kẹp ở 10V), với điện trở động thấp tới 0,5 Ω và có thể hấp thụ vài kilowatt điện đột biến. Ví dụ: một nhãn hiệu máy bơm insulin nhất định đã vượt qua thành công bài kiểm tra ESD IEC 61000-4-2 sau khi sử dụng điốt TVS để bảo vệ giao diện sạc và chức năng của thiết bị không bị ảnh hưởng khi dòng điện cực đại tăng 30A.

2. Giới hạn tín hiệu: ngăn ngừa quá tải điện áp
Thiết bị y tế từ xa cần truyền tín hiệu sinh lý thông qua các mô-đun không dây (như Bluetooth, Wi Fi), nhưng đầu thu ăng-ten có thể tạo ra xung điện áp do nhiễu môi trường. Điốt thông thường (như 1N4148) có thể được sử dụng để xây dựng mạch giới hạn, giới hạn điện áp tín hiệu trong phạm vi an toàn. Nguyên lý làm việc của nó là: khi điện áp đầu vào vượt quá mức sụt áp chuyển tiếp của diode (khoảng 0,7V), diode sẽ dẫn điện và năng lượng dư thừa được tiêu thụ qua điện trở phân áp để tránh làm hỏng mạch tiếp theo (chẳng hạn như bộ chuyển đổi ADC) do quá điện áp. Ví dụ, trong thiết bị theo dõi độ bão hòa oxy trong máu, một mạch giới hạn có thể đảm bảo rằng tín hiệu yếu (mức mV) đầu ra của cảm biến quang điện không bị ảnh hưởng bởi nhiễu bên ngoài.

3. Chặn dòng ngược: đảm bảo ổn định nguồn điện
Thiết bị y tế từ xa thường sử dụng pin lithium để cung cấp điện. Nếu pin bị đảo ngược hoặc mạch sạc bị hỏng, nó có thể gây ra dòng điện ngược. Điốt Schottky (chẳng hạn như SS14) là lựa chọn ưu tiên để chặn dòng điện ngược do điện áp chuyển tiếp thấp (0,2-0,3V) và đặc tính chuyển mạch nhanh. Ví dụ: một mẫu máy khử rung tim gắn trên bề mặt thông minh đã giới hạn thành công dòng điện ngược xuống dưới 0,1 μ A sau khi kết nối song song diode SS14 ở cực đầu ra của pin, thấp hơn nhiều so với ngưỡng an toàn của pin, giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ sử dụng của thiết bị.

2, Kịch bản ứng dụng điển hình và thiết kế mạch
1. Bảo vệ ESD của mô-đun truyền thông không dây
Mô-đun không dây của thiết bị y tế từ xa (chẳng hạn như Bluetooth, 4G/5G) phải đáp ứng tiêu chuẩn miễn nhiễm đột biến IEC 61000-4-5. Trong quá trình thiết kế, điốt TVS cần được kết nối song song với giao diện ăng-ten và đường truyền dữ liệu (như I2C, SPI). Ví dụ:

D1/D2:SMBJ5.0CA, Bảo vệ dây nguồn 5V;
D3/D4: SLESD5V0LED02 (điện dung tiếp giáp thấp 0,28pF), bảo vệ đường truyền dữ liệu.
Kiểu thiết kế này đảm bảo thiết bị có thể hoạt động ổn định trong môi trường ẩm ướt, nhiều mồ hôi, đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn điện y tế như IEC 60601-1.

2. Hạn chế bảo vệ mạch thu tín hiệu sinh lý
Biên độ của tín hiệu điện tâm đồ (ECG) chỉ 1-5mV, dễ bị nhiễu tần số nguồn (50Hz) và nhiễu điện cơ. Khi thiết kế mạch giới hạn phải mắc nối tiếp ở đầu vào tín hiệu, ví dụ:

Điốt D1/D2:1N4148, tạo thành bộ hạn chế hai chiều;
R1/R2:10k Ω điện trở chia điện áp, hạn chế dòng điện;
C1: Tụ lọc 0,1 μ F để triệt tiêu nhiễu tần số-cao.
Mạch này có thể giới hạn tín hiệu đầu vào trong phạm vi ± 0,7V, đảm bảo hoạt động bình thường của bộ khuếch đại tiếp theo (chẳng hạn như INA128).

3. Bảo vệ ngược hệ thống quản lý pin
Các thiết bị giám sát từ xa có thể đeo (chẳng hạn như vòng đeo tay thông minh) cần có chế độ chờ lâu dài và việc tự xả pin cũng như rò rỉ mạch có thể làm giảm tuổi thọ của pin. Bằng cách kết nối nối tiếp một diode có dòng rò thấp (chẳng hạn như BAS70) ở đầu ra pin, dòng điện chờ có thể giảm từ 10 μ A xuống dưới 0,1 μ A. Ví dụ: sau khi một nhãn hiệu máy theo dõi đường huyết liên tục nào đó áp dụng giải pháp này, thời lượng pin của thiết bị đã được kéo dài từ 3 ngày lên 10 ngày.

3, Xu hướng và thách thức của ngành
1. Ứng dụng vật liệu có vùng cấm rộng
Điốt dựa trên Gallium nitride (GaN) đã bắt đầu được áp dụng trong các thiết bị y tế từ xa do đặc tính hiệu quả và tần số cao của chúng. Ví dụ: điốt GaN Schottky có thời gian phục hồi ngược (trr) ngắn hơn 90% so với các thiết bị dựa trên silicon{2}}, điều này có thể giảm tổn thất năng lượng trong mạch sạc và cải thiện độ bền của thiết bị.

2. Thiết kế tích hợp
Để giảm kích thước của thiết bị, điốt đang được tích hợp với bộ quản lý nguồn (PMU) và chip BMS. Ví dụ: một-giải pháp chip do một nhà sản xuất nhất định tung ra sẽ tích hợp điốt TVS, điốt điều chỉnh điện áp và MOSFET vào một gói 0,8mm × 0,8mm để đáp ứng nhu cầu của các thiết bị siêu nhỏ như nhẫn thông minh.

3. Cân bằng mức tiêu thụ điện năng thấp và độ tin cậy cao
Thiết bị y tế từ xa rất nhạy cảm với mức tiêu thụ điện năng nhưng đồng thời cần đáp ứng yêu cầu về độ tin cậy cao. Điốt trong tương lai cần đột phá theo các hướng sau:

Hạ điện áp chuyển tiếp: chẳng hạn như sử dụng công nghệ Super Junction để giảm điện áp rơi của điốt Schottky xuống dưới 0,1V;
Điện áp chịu ngược cao hơn: Phát triển điốt micro có điện áp chịu được trên 100V để đáp ứng nhu cầu của các thiết bị có công suất-cao;
Chức năng bảo vệ thông minh: Kết hợp cảm biến và thuật toán để điều chỉnh linh hoạt các thông số diode và tối ưu hóa hiệu quả bảo vệ.