Na co należy zwrócić uwagę przy projektowaniu układu diod urządzenia medycznego?

1, identyfikacja polaryzacji i projekt zapobiegania błędom
Dioda ma przewodnictwo jednokierunkowe i odwrócenie jej polaryzacji może spowodować zwarcie lub spalenie urządzenia. W sprzęcie medycznym błąd ten może spowodować awarię sprzętu, a nawet obrażenia pacjentów. Dlatego projekt układu musi ściśle przestrzegać następujących zasad:

Oznaczenie sitodrukiem: wyraźnie zaznacz katodę (K) lub elektrodę ujemną (-) wokół korpusu diody, zwykle reprezentowaną przez linie pionowe, grube linie, oznaczenia karbów lub literę „K”. Na przykład diody do montażu powierzchniowego mogą odpowiadać katodom poprzez kolorowe paski lub rowki.
Odpowiednie opakowanie: podkładki do pakowania PCB muszą być wyraźnie rozróżnione pomiędzy katodą a anodą. Zazwyczaj podkładki katodowe mają nacięcia, narożniki lub specjalne kształty, aby uniknąć błędów spawalniczych.
Jednolitość kierunku: Dioda tego samego typu powinna utrzymywać ten sam kierunek (np. wszystkie katody skierowane w lewo/w górę), aby zmniejszyć ryzyko błędów spawania.
Konstrukcja zapobiegająca błędom: w przypadku obwodów krytycznych lub sytuacji podatnych na błędy można zastosować asymetryczną konstrukcję podkładki, aby jeszcze bardziej zapobiec odwróceniu polaryzacji.
2, Projekt rozpraszania ciepła i zarządzanie ciepłem
W sprzęcie medycznym diody mocy (takie jak prostowniki i lampy wolnobieżne) generują podczas pracy znaczne ciepło. Słabe odprowadzanie ciepła może prowadzić do awarii termicznej lub pogorszenia wydajności. Projekt układu musi optymalizować rozpraszanie ciepła z następujących aspektów:

Zbliżanie się do źródła rozpraszania ciepła: Umieść diodę mocy w pobliżu radiatora lub obszaru z folii miedzianej i użyj metalowych przewodników, aby szybko przewodzić ciepło. Na przykład w module zasilania przenośnych urządzeń ultradźwiękowych diody z węglika krzemu ściśle stykają się z radiatorem poprzez podkładki termiczne, aby obniżyć temperaturę złącza.
Pokrycie miedzią o dużej powierzchni: podłącz dużą powierzchnię uziemionej folii miedzianej (płaszczyzna GND) lub folii miedzianej zasilającej do płytek katodowych i anodowych diody, aby zwiększyć zdolność rozpraszania ciepła. Na przykład w obwodzie detekcji elektrody elektrokardiografu pod płytką diody regulatora napięcia układa się wiele warstw folii miedzianej i łączy się je przelotkami z wewnętrzną warstwą rozpraszającą ciepło.
Odprowadzanie ciepła poprzez: gęsto rozmieszczone odprowadzanie ciepła przez otwory (średnica 0,3 mm, rozstaw 0,5-1 mm) w miejscu łączenia dużych folii miedzianych, tworząc ścieżkę o niskim oporze cieplnym. Na przykład w obwodzie konwersji mocy przenośnego sprzętu rentgenowskiego pod diodą z węglika krzemu zastosowano siatkę typu via array, co zmniejsza wzrost temperatury o 40%.
Trzymaj się z daleka od elementów wrażliwych na ciepło: Unikaj umieszczania diod grzewczych w pobliżu elementów wrażliwych na ciepło, takich jak kondensatory elektrolityczne i precyzyjne układy scalone, aby zapobiec pogorszeniu wydajności spowodowanemu naprężeniami termicznymi.
3, Wymagania dotyczące izolacji elektrycznej i bezpieczeństwa
Sprzęt medyczny musi spełniać rygorystyczne normy bezpieczeństwa elektrycznego (takie jak IEC 60601-1), a układ diod musi zapewniać izolację pomiędzy obszarami wysokiego i niskiego napięcia, aby zapobiec ryzyku porażenia prądem

Odległość upływu i odstęp elektryczny: Należy zachować odpowiedni odstęp między stykami diod-wysokonapięciowych (takich jak te powyżej 600 V) i innych-urządzeń/okablowania wysokiego napięcia. Na przykład w obwodzie wytwarzania-wysokiego napięcia defibrylatora odległość upływu między diodą a kondensatorem wynosi co najmniej 2 mm, a wytrzymałość izolacji zwiększa się poprzez otwarcie okien.
Rowek i okienko izolacyjne: Pomiędzy obszarami wysokiego i niskiego napięcia można otworzyć okienka pod warstwą maski lutowniczej (obszar wolny od miedzi), a na płytce drukowanej można wykonać nawet szczeliny, aby zwiększyć drogę upływu. Na przykład w module mocy medycznego sprzętu laserowego strona wysokiego napięcia i strona niskiego napięcia są całkowicie oddzielone szczelinami izolacyjnymi.
Separacja uziemienia zasilania i uziemienia sygnału: fizycznie oddziel uziemienie zasilania (PGND) przenoszące duże prądy impulsowe od uziemienia sygnału (SGND), które wymaga ciszy, i podłącz je w jednym punkcie, aby uniknąć zakłóceń. Na przykład w obwodzie akwizycji sygnału przenośnego monitora przewód uziemiający fotodiody jest podłączony niezależnie od masy zasilania, aby zredukować sprzężenie szumowe.
4, tłumienie zakłóceń elektromagnetycznych i optymalizacja-wysokiej częstotliwości
W sprzęcie medycznym-przełączanie diod o wysokiej częstotliwości może generować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), wpływające na działanie sprzętu lub zakłócające działanie innych urządzeń medycznych. Projekt układu musi tłumić zakłócenia elektromagnetyczne z następujących aspektów:

Zminimalizuj krytyczny obszar pętli: zwięźle rozplanuj-komponenty pętli przełączającej o wysokiej częstotliwości, takie jak diody, lampy przełączające, cewki/kondensatory magazynujące energię itp., i skróć długość trasy. Na przykład w obwodach Buck/Boost dioda gasząca jest umieszczona w sąsiedztwie tranzystora przełączającego, tworząc trójkątny układ w celu zmniejszenia obszaru pętli.
Pasożytnicza kontrola parametrów: w zastosowaniach-wysokoczęstotliwościowych pasożytnicza pojemność (Cj) i indukcyjność (Ls) diod mogą powodować osłabienie lub dzwonienie sygnału. Należy wybrać diody o małej pojemności (takie jak diody Schottky'ego), a efekt stłoczenia prądu należy zmniejszyć poprzez optymalizację okablowania (np. pod kątem 45 stopni lub zaokrąglone rogi).
Ekranowanie i filtrowanie: W przypadku wrażliwych linii sygnałowych (takich jak I2C, SPI) stosowana jest izolacja masy lub routing różnicowy, a na zaciskach wejścia/wyjścia dodawane są koraliki ferrytowe lub kondensatory filtrujące. Na przykład w interfejsie komunikacyjnym przenośnych glukometrów diody TVS są połączone z cewkami indukcyjnymi w trybie wspólnym w celu tłumienia zakłóceń ESD i przewodzonych.
5, Układ ochrony i projekt niezawodności
Sprzęt medyczny musi charakteryzować się wysoką niezawodnością, a układ diod powinien uwzględniać środki zabezpieczające, takie jak przepięcie, przetężenie, ESD itp.:

Ochrona przed przepięciem: Użyj diody Zenera lub diody TVS na wejściu zasilania, aby ograniczyć napięcie i zapobiec uszkodzeniu obwodu wtórnego przez skoki napięcia. Na przykład w module zasilania przenośnego koncentratora tlenu dioda TVS jest połączona równolegle na końcu wejściowym, z czasem reakcji mniejszym niż 1 ps i wytrzymuje wyładowanie stykowe 8 kV.
Zabezpieczenie nadprądowe: Prąd jest ograniczony przez rezystor szeregowy lub diodę ograniczającą prąd, aby zapobiec przepaleniu diody z powodu przeciążenia. Na przykład w obwodzie sterownika diody elektroluminescencyjnej (LED) rezystor ograniczający prąd jest połączony szeregowo z diodą LED, aby zapewnić, że prąd roboczy mieści się w bezpiecznym zakresie.
Ochrona ESD: Zainstaluj diody ESD w pobliżu interfejsów danych (takich jak porty USB i Ethernet) i postępuj zgodnie z zasadą „blisko wlotu ESD”. Przykładowo w interfejsie USB przenośnych urządzeń ultradźwiękowych odległość pomiędzy diodą TVS a złączem jest mniejsza niż 3cm, a zacisk uziemiający jest połączony z płaszczyzną uziemienia wieloma przelotkami, co skutkuje spadkiem napięcia zaciskania o 15V.
6, Optymalizacja układu dla specjalnych scenariuszy zastosowań
Ze względu na specjalne potrzeby sprzętu medycznego należy dalej optymalizować układ diod:

Elastyczna konstrukcja obwodów: w przenośnych urządzeniach medycznych, takich jak inteligentne opatrunki, diody muszą być połączone elastycznym okablowaniem zasilającym, aby dostosować się do odkształcenia urządzenia. Na przykład diody elektroluminescencyjne-są połączone z podłożami czujników za pomocą elastycznych płytek drukowanych i nawet w przypadku zmiany grubości opatrunku diody LED można nadal stabilnie rozmieścić na powierzchni, aby uniknąć uciskania dotkniętego obszaru pacjenta.
Konstrukcja o niskim poborze mocy: W urządzeniach przenośnych wybierz diody o niskim prądzie upływowym (takie jak ultraszybkie diody odzyskiwania), aby zmniejszyć zużycie energii statycznej. Na przykład w obwodzie akwizycji sygnału przenośnych monitorów elektrokardiograficznych fotodiody są zaprojektowane z myślą o niskim natężeniu prądu ciemnego i połączone ze wzmacniaczami operacyjnymi o niskim-szumach w celu poprawy stosunku sygnału-do-szumu.
Integracja o wysokiej gęstości: W mikrourządzeniach medycznych, takich jak wszczepialne czujniki, stosuje się zminiaturyzowane diody w obudowie (takie jak DFN, SOD-123), aby zaoszczędzić miejsce. Na przykład w obwodzie zarządzania energią stymulatorów neuronowych diody z węglika krzemu są pakowane w DFN, co zmniejsza powierzchnię o 80% w porównaniu z tradycyjnym opakowaniem TO-220.