Як за допомогою діодів оптимізувати ефективність медичних-приладів малої потужності?

1, Реконструкція топології схеми: усунення власних втрат діодів
Традиційні діоди мають фіксоване падіння напруги (наприклад, 0,5-0,7 В для кремнієвих трубок), що значно знижує ефективність у низько-напругних медичних схемах. Візьмемо як приклад імплантований нейростимулятор, його DC-DC перетворювач повинен підвищити напругу літієвої батареї 3,7 В до 15 В. Якщо використовується випрямлення діодом Шотткі, то втрати провідності складають до 35%. Завдяки впровадженню технології синхронного випрямлення та заміні діодів MOSFET, опір увімкнення можна зменшити з кількох сотень міліомів до рівня нижче 10 мОм, що призведе до підвищення ефективності більш ніж на 20%.

Типовий випадок: динамічний електрокардіограф певної марки використовує ідеальний діодний контролер LTC4412 для управління паралельним масивом MOSFET, що забезпечує автоматичне перемикання подвійних джерел живлення. При вхідній напрузі 12 В падіння напруги провідності традиційних діодів зменшується з 0,3 В до 10 мВ, споживання електроенергії зменшується на 96%, а термін служби пристрою подовжується з 6 годин до 24 годин, що відповідає потребам безперервного клінічного моніторингу.

2, Вибір пристрою: точні параметри, що відповідають медичним сценаріям
Медичне обладнання має суворі вимоги до основних параметрів діодів, і диференційований вибір повинен здійснюватися відповідно до сценарію застосування

Низьке падіння прямої напруги (VF)
У пристроях для визначення мікроструму, таких як глюкометри, діод VF безпосередньо впливає на амплітуду сигналу. Заміна традиційних кремнієвих діодів (VF=0.6V) на діоди Шотткі на основі германію (VF=0.15V) може збільшити чутливість виявлення втричі, одночасно зменшуючи споживання електроенергії на 40%.
Надшвидкий час відновлення (Trr)
У цифрових системах рентгенівського зображення матриця фотодіодів має завершити отримання сигналу протягом 1 мкс. Вибір надшвидкого діода відновлення з Trr<50ns can avoid image tailing caused by charge residue and improve the signal-to-noise ratio (SNR) by 12dB.
Низький струм витоку (IR)
У переносних ЕКГ-пристроях струм витоку діода може викликати дрейф базової лінії. Діод із ультра-струмом витоку BAS70 (IR=0.1pA), упакований у SOD-123, може оптимізувати відношення-сигнал/шум (SNR) до 85 дБ, відповідаючи вимогам до точності медичного рівня.
Висока напруга пробою (BV)
У -обладнанні високої напруги, наприклад дефібриляторах, діоди мають витримувати імпульси 5 кВ. Завдяки використанню SiC (карбіду кремнію) діодів (BV=6.5kV) зворотний заряд відновлення (Qrr) зменшується на 80% порівняно з кремнієвими діодами, що може значно зменшити електромагнітні перешкоди (EMI).
3, Динамічне керування живленням: інтелектуальне керування активується за вимогою
Медичні пристрої повинні динамічно регулювати енергоспоживання діодів відповідно до їх робочого стану, і типові стратегії включають:

Сегментне управління живленням
У пульсоксиметрах фотодіод активується лише під час періоду відбору проб. Керуючи MOSFET-перемикачем через MCU, робота на повній потужності досягається протягом періоду вибірки (100 мкс), а повне вимкнення живлення досягається протягом решти часу (99,9%), зменшуючи середнє енергоспоживання системи до 0,3 мВт.
Технологія адаптивного зміщення
У імплантованих мозкових комп’ютерних інтерфейсах напруга зміщення APD (лавинного фотодіода) повинна динамічно регулюватися відповідно до інтенсивності світла. Використовуючи низький{2}}шумовий операційний підсилювач LTC6268 для побудови контуру зворотного зв’язку, посилення APD стабілізується в 100 разів, тоді як споживання електроенергії ланцюгом зміщення зменшено з 5 до 0,8 мВт.
Оптимізація режиму сну
У цифровому термометрі LTC2450-1 Δ - ∑ АЦП безпосередньо підключено до термістора, а його струм сну становить лише 0,5 мкА. Співпрацюйте з перемикачем MOSFET, щоб відключити живлення діода, щоб енергоспоживання всього пристрою в режимі очікування становило менше 1 мкВт, що відповідає 10-річним вимогам до тривалості роботи однієї батареї CR2032.
4. Спеціалізована практика оптимізації в медичних сценаріях
Неінвазивний моніторинг рівня глюкози в крові
Використовуючи лазерні діоди з подвійною довжиною хвилі 1310 нм/1550 нм і матриці фотодіодів InGaAs, синхронна дискретизація досягається за допомогою АЦП LTC2366-18 bit SAR. Оптимізуйте схему керування діодом, щоб скоротити тривалість лазерного імпульсу зі 100 нс до 20 нс, зменшити споживання електроенергії системою на 60 % і підвищити точність визначення концентрації глюкози до ± 5 мг/дл.
Портативна ультразвукова діагностика
В ультразвуковому зонді схема множення високої напруги побудована з використанням SiC діодів Шотткі для підвищення вхідної напруги 12 В до 100 В. Завдяки оптимізації компонування друкованої плати для зменшення паразитної індуктивності втрати діода при зворотному відновленні зменшуються на 75%, нагрівання головки зонда зменшується на 40%, а роздільна здатність зображення покращується до 256 ліній.
капсульна ендоскопія
У дизайні мініатюризації 0,3 см³ діодна матриця серії BAT54, упакована в TSOT-23, використовується для досягнення ізоляції живлення між датчиком зображення CMOS і модулем бездротової передачі. Завдяки використанню технології 3D стекування для скорочення відстані з’єднання цілісність сигналу (SI) оптимізовано до -40 дБ внесених втрат, а швидкість передачі зображення досягає 2 Мбіт/с.