La diode est-elle utilisée pour la protection des signaux dans les équipements médicaux à distance ?

1, le mécanisme de protection du signal de base des diodes
1. Protection ESD : supprime l’impact de l’électricité statique
Les appareils médicaux à distance, tels que les électrocardiographes portables et les bracelets intelligents, fonctionnent souvent par contact humain et sont susceptibles d'accumuler des charges électrostatiques. Lorsque les interfaces des appareils (tels que les modules de chargement USB et sans fil) entrent en contact avec des conducteurs externes, l'électricité statique peut générer des dizaines de milliers de volts de haute tension transitoire, qui peuvent traverser les broches des puces ou les circuits des capteurs. Les diodes TVS (telles que SMBJ5.0CA) peuvent maintenir la tension à une plage sûre en un temps ps grâce à l'effet de claquage Zener (comme le système 5 V se fixant à 10 V), avec une résistance dynamique aussi basse que 0,5 Ω, et peuvent absorber plusieurs kilowatts de surtension. Par exemple, une certaine marque de pompe à insuline a réussi le test ESD CEI 61000-4-2 après avoir utilisé une diode TVS pour protéger l'interface de charge, et le fonctionnement de l'appareil n'a pas été affecté par une surtension de pointe de 30 A.

2. Limitation du signal : éviter les surcharges de tension
Les équipements médicaux à distance doivent transmettre des signaux physiologiques via des modules sans fil (tels que Bluetooth, Wi-Fi), mais l'extrémité de réception de l'antenne peut générer des pics de tension dus à des interférences environnementales. Des diodes ordinaires (telles que 1N4148) peuvent être utilisées pour construire un circuit de limitation, qui limite la tension du signal dans une plage sûre. Son principe de fonctionnement est le suivant : lorsque la tension d'entrée dépasse la chute de tension directe de la diode (environ 0,7 V), la diode conduit et l'énergie excédentaire est consommée à travers la résistance du diviseur de tension pour éviter d'endommager le circuit suivant (tel qu'un convertisseur ADC) en raison d'une surtension. Par exemple, dans les équipements de surveillance de la saturation en oxygène du sang, un circuit de limitation peut garantir que le signal faible (niveau mV) émis par le capteur photoélectrique n'est pas affecté par des interférences externes.

3. Blocage du courant inverse : assurer la stabilité de l'alimentation électrique
Les équipements médicaux à distance utilisent souvent des piles au lithium pour l’alimentation électrique. Si la batterie est inversée ou si le circuit de charge tombe en panne, cela peut provoquer une surtension inverse. Les diodes Schottky (telles que SS14) sont le choix préféré pour le blocage du courant inverse en raison de leur faible chute de tension directe (0,2-0,3 V) et de leurs caractéristiques de commutation rapides. Par exemple, un certain modèle de défibrillateur intelligent à montage en surface a réussi à limiter le courant inverse à moins de 0,1 μA après la connexion en parallèle de la diode SS14 à la borne de sortie de la batterie, bien en dessous du seuil de sécurité de la batterie, prolongeant ainsi considérablement la durée de vie de l'appareil.

2, scénarios d'application typiques et conception de circuits
1. Protection ESD du module de communication sans fil
Le module sans fil des équipements médicaux à distance (tels que Bluetooth, 4G/5G) doit répondre à la norme d'immunité aux surtensions CEI 61000-4-5. Lors de la conception, les diodes TVS doivent être connectées en parallèle aux interfaces d'antenne et aux lignes de transmission de données (telles que I2C, SPI). Par exemple:

D1/D2 : SMBJ5.0CA, protège le cordon d'alimentation 5 V ;
D3/D4 : SLESD5V0LED02 (faible capacité de jonction 0,28pF), protège les lignes de transmission de données.
Ce type de conception garantit que l'équipement peut fonctionner de manière stable dans des environnements humides et moites, répondant aux normes de sécurité électrique médicale telles que la CEI 60601-1.

2. Protection limitée du circuit d'acquisition de signaux physiologiques
L'amplitude du signal de l'électrocardiogramme (ECG) n'est que de 1 à 5 mV, ce qui est sensible aux interférences de fréquence industrielle (50 Hz) et au bruit électrique musculaire. Lors de la conception, un circuit de limitation doit être connecté en série à l'extrémité d'entrée du signal, par exemple :

Diode D1/D2 : 1N4148, formant un limiteur bidirectionnel ;
R1/R2 : résistance diviseuse de tension 10k Ω, courant limite ;
C1 : condensateur de filtrage de 0,1 μF pour supprimer le bruit à haute fréquence-.
Ce circuit peut limiter le signal d'entrée dans une plage de ± 0,7 V, assurant le fonctionnement normal de l'amplificateur suivant (tel que INA128).

3. Protection inverse du système de gestion de la batterie
Les appareils portables de surveillance à distance (tels que les bracelets intelligents) nécessitent une veille à long terme-, et la décharge automatique de la batterie et les fuites de circuit peuvent réduire la durée de vie de la batterie. En connectant une diode à faible courant de fuite (telle que BAS70) en série à la sortie de la batterie, le courant de veille peut être réduit de 10 μ A à moins de 0,1 μ A. Par exemple, après qu'une certaine marque de glucomètre continu a adopté cette solution, la durée de vie de la batterie de l'appareil a été prolongée de 3 jours à 10 jours.

3, Tendances et défis de l'industrie
1. Application de matériaux à large bande interdite
Les diodes à base de nitrure de gallium (GaN) ont commencé à être utilisées dans les dispositifs médicaux à distance en raison de leurs caractéristiques de haute fréquence et d'efficacité. Par exemple, les diodes GaN Schottky ont un temps de récupération inverse (trr) 90 % plus court que les appareils à base de silicium-, ce qui peut réduire les pertes d'énergie dans les circuits de charge et améliorer l'endurance des appareils.

2. Conception intégrée
Pour réduire la taille de l'appareil, les diodes sont intégrées aux unités de gestion de l'alimentation (PMU) et aux puces BMS. Par exemple, une solution à puce unique-lancée par un certain fabricant intègre des diodes TVS, des diodes de régulation de tension et des MOSFET dans un boîtier de 0,8 mm × 0,8 mm pour répondre aux besoins des appareils ultra petits tels que les anneaux intelligents.

3. Équilibrez une faible consommation d'énergie et une fiabilité élevée
Les équipements médicaux à distance sont sensibles à la consommation électrique, mais doivent en même temps répondre à des exigences élevées de fiabilité. Les futures diodes devront percer dans les directions suivantes :

Chute de tension directe plus faible : comme l'utilisation de la technologie Super Junction pour réduire la chute de tension des diodes Schottky à moins de 0,1 V ;
Tension de tenue inverse plus élevée : développer des microdiodes avec une tension de tenue supérieure à 100 V pour répondre aux besoins des appareils à haute-puissance ;
Fonction de protection intelligente : combinant des capteurs et des algorithmes pour ajuster dynamiquement les paramètres de la diode et optimiser les effets de protection.