Čo si treba všímať pri návrhu rozloženia diód zdravotníckych pomôcok?

1, Identifikácia polarity a návrh prevencie chýb
Dióda má jednosmernú vodivosť a obrátenie jej polarity môže spôsobiť skrat alebo vyhorenie zariadenia. V zdravotníckych zariadeniach môže táto chyba spôsobiť poruchu zariadenia a dokonca poškodiť pacientov. Preto musí návrh rozloženia prísne dodržiavať nasledujúce zásady:

Značenie sieťotlačou: Jasne označte katódu (K) alebo zápornú elektródu (-) okolo tela diódy, ktorá je obyčajne znázornená zvislými čiarami, hrubými čiarami, značkami zárezov alebo písmenom „K“. Napríklad diódy pre povrchovú montáž môžu zodpovedať katódam prostredníctvom farebných pásikov alebo drážok.
Korešpondencia s obalmi: Podložky na balenie PCB musia byť jasne rozlíšené medzi katódou/anódou. Typicky sú katódové podložky navrhnuté so zárezmi, rohmi alebo špeciálnymi tvarmi, aby sa predišlo chybám zvárania.
Rovnomernosť smeru: Rovnaký typ diódy by si mal zachovať rovnaký smer (napríklad všetky katódy smerujúce doľava/nahor), aby sa znížilo riziko chýb zvárania.
Dizajn proti chybám: Pre kritické obvody alebo situácie náchylné na chyby možno použiť asymetrický dizajn podložky, aby sa ďalej zabránilo prepólovaniu.
2, Návrh odvodu tepla a tepelné riadenie
V lekárskych zariadeniach výkonové diódy (ako sú usmerňovače a voľnobežné trubice) počas prevádzky vytvárajú značné teplo. Nedostatočné odvádzanie tepla môže viesť k tepelným poruchám alebo zníženiu výkonu. Návrh rozloženia musí optimalizovať odvod tepla z nasledujúcich aspektov:

Priblíženie sa k zdroju odvodu tepla: Výkonovú diódu umiestnite do blízkosti chladiča alebo oblasti medenej fólie a použite kovové vodiče na rýchle vedenie tepla. Napríklad v napájacom module prenosných ultrazvukových zariadení sú diódy z karbidu kremíka v tesnom kontakte s chladičom cez tepelné podložky, aby sa znížila teplota spoja.
Veľkoplošné medené pokovovanie: Pripojte veľkú plochu zemnej medenej fólie (GND Plane) alebo napájacej medenej fólie ku katódovým a anódovým podložkám diódy, aby ste zvýšili schopnosť odvádzania tepla. Napríklad v elektródovom detekčnom obvode elektrokardiografu je pod diódovou podložkou regulátora napätia položených viacero vrstiev medenej fólie a pripojených k vnútornej vrstve rozptylu tepla cez priechodky.
Odvod tepla cez: husto usporiadajte odvod tepla cez otvory (priemer 0,3 mm, rozstup 0,5-1 mm) v oblasti, kde sú spojené veľké medené fólie, čím sa vytvorí cesta s nízkym tepelným odporom. Napríklad v obvode premeny energie prenosného röntgenového zariadenia sa pod diódou z karbidu kremíka používa mriežka ako cez pole, čím sa znižuje nárast teploty o 40 %.
Drž sa ďalej od súčiastok citlivých na teplo: Neumiestňujte vyhrievacie diódy do tesnej blízkosti súčiastok citlivých na teplo, ako sú elektrolytické kondenzátory a presné integrované obvody, aby ste zabránili zníženiu výkonu spôsobenému tepelným namáhaním.
3, Požiadavky na elektrickú izoláciu a bezpečnostné predpisy
Zdravotnícke vybavenie musí spĺňať prísne normy elektrickej bezpečnosti (napríklad IEC 60601-1) a usporiadanie diód musí zabezpečiť izoláciu medzi oblasťami vysokého a nízkeho napätia, aby sa predišlo riziku úrazu elektrickým prúdom.

Povrchová vzdialenosť a elektrická vzdialenosť: Medzi kolíkmi vysokonapäťových diód (ako sú diódy nad 600 V) a iných vysokonapäťových zariadení/káblov by sa mal udržiavať primeraný odstup. Napríklad vo vysokonapäťovom generačnom obvode defibrilátora je medzi diódou a kondenzátorom nastavená plazivá vzdialenosť aspoň 2 mm a pevnosť izolácie sa zvyšuje otvorením okien.
Izolačná drážka a okienko: Medzi oblasťami vysokého a nízkeho napätia je možné otvárať okná pod vrstvou spájkovacej masky (oblasť bez medi) a na doske plošných spojov je možné vytvoriť aj štrbiny, aby sa zväčšila povrchová vzdialenosť. Napríklad v napájacom module lekárskeho laserového zariadenia sú vysokonapäťová a nízkonapäťová strana úplne oddelené izolačnými štrbinami.
Uzemnenie napájania a oddelenie uzemnenia signálu: Fyzicky oddeľte uzemnenie napájania (PGND) prenášajúce veľké impulzné prúdy od uzemnenia signálu (SGND), ktoré vyžaduje ticho, a spojte ich v jednom bode, aby ste predišli rušeniu. Napríklad v obvode na získavanie signálu prenosného monitora je uzemňovací vodič fotodiódy nezávisle zapojený od napájacej zeme, aby sa znížila väzba šumu.
4, potlačenie EMI a optimalizácia-vysokej frekvencie
V lekárskych zariadeniach môže vysokofrekvenčné spínanie diód vytvárať elektromagnetické rušenie (EMI), ktoré môže ovplyvniť výkon zariadenia alebo rušiť iné lekárske zariadenia. Návrh rozloženia musí potlačiť EMI z nasledujúcich aspektov:

Minimalizujte oblasť kritickej slučky: Zhutnite rozloženie komponentov vysokofrekvenčnej spínacej slučky, ako sú diódy, spínacie elektrónky, indukčné cievky/kondenzátory atď., a skráťte dĺžku vedenia. Napríklad v obvodoch Buck/Boost je voľnobežná dióda umiestnená vedľa spínacieho tranzistora a vytvára trojuholníkové usporiadanie na zmenšenie oblasti slučky.
Parazitné riadenie parametrov: Vo vysoko{0}}frekvenčných aplikáciách môže parazitná kapacita (Cj) a indukčnosť (Ls) diód spôsobiť zoslabenie signálu alebo zvonenie. Mali by sa zvoliť nízkokapacitné diódy (ako sú Schottkyho diódy) a efekty stláčania prúdu by sa mali znížiť optimalizáciou zapojenia (ako sú 45 stupňové alebo zaoblené rohy).
Tienenie a filtrovanie: Izolácia uzemnenia alebo diferenciálne smerovanie sa používa pre citlivé signálové vedenia (ako sú I2C, SPI) a na vstupné/výstupné svorky sa pridávajú feritové guľôčky alebo filtračné kondenzátory. Napríklad v komunikačnom rozhraní prenosných glukomerov sú diódy TVS kombinované s induktormi spoločného režimu na potlačenie ESD a rušenia vedením.
5, Usporiadanie ochrany a návrh spoľahlivosti
Lekárske vybavenie musí mať vysokú spoľahlivosť a usporiadanie diód by malo zohľadňovať ochranné opatrenia, ako je prepätie, nadprúd, ESD atď.:

Ochrana proti prepätiu: Použite Zenerovu diódu alebo TVS diódu na vstupe napájania, aby ste udržali napätie a zabránili napäťovým špičkám poškodzovať sekundárny obvod. Napríklad v napájacom module prenosného kyslíkového koncentrátora je TVS dióda zapojená paralelne na vstupnom konci, s dobou odozvy kratšou ako 1ps, a môže vydržať 8kV kontaktný výboj.
Nadprúdová ochrana: Prúd je obmedzený sériovým odporom alebo diódou obmedzujúcou prúd, aby sa zabránilo vyhoreniu diódy v dôsledku preťaženia. Napríklad v budiacom obvode diódy vyžarujúcej svetlo (LED) je do série s LED zapojený odpor obmedzujúci prúd, aby sa zabezpečilo, že prevádzkový prúd je v bezpečnom rozsahu.
ESD ochrana: Nainštalujte ESD diódy v blízkosti dátových rozhraní (ako sú USB a ethernetové porty) a postupujte podľa princípu „blízko ESD vstupu“. Napríklad v rozhraní USB prenosných ultrazvukových zariadení je vzdialenosť medzi diódou TVS a konektorom menšia ako 3 cm a uzemňovacia svorka je pripojená k uzemňovacej rovine prostredníctvom viacerých priechodov, čo vedie k zníženiu upínacieho napätia o 15 V.
6, Optimalizácia rozloženia pre špeciálne aplikačné scenáre
Pre špeciálne potreby lekárskeho vybavenia je potrebné rozloženie diód ďalej optimalizovať:

Flexibilný dizajn obvodu: V nositeľných lekárskych zariadeniach, ako sú inteligentné obväzy, je potrebné diódy pripojiť cez flexibilné napájacie vedenie, aby sa prispôsobili deformácii zariadenia. Napríklad svetelné-diódy sú pripojené k substrátom senzorov prostredníctvom flexibilných dosiek plošných spojov a aj keď sa hrúbka obväzu zmení, diódy LED môžu byť stále stabilne usporiadané na povrchu, aby sa predišlo stlačeniu postihnutej oblasti pacienta.
Dizajn s nízkou spotrebou energie: V prenosných zariadeniach si vyberte diódy s nízkym zvodovým prúdom (napríklad diódy s ultrarýchlou obnovou), aby ste znížili statickú spotrebu energie. Napríklad v obvode na získavanie signálu prenosných elektrokardiografických monitorov sú fotodiódy navrhnuté s nízkym tmavým prúdom a spárované s nízkošumovými operačnými zosilňovačmi na zlepšenie pomeru signálu-k{3}}šumu.
Integrácia s vysokou hustotou: V mikro medicínskych zariadeniach, ako sú implantovateľné senzory, sa na úsporu miesta používajú miniaturizované balené diódy (ako DFN, SOD-123). Napríklad v obvode riadenia napájania nervových stimulátorov sú diódy z karbidu kremíka zabalené v DFN, čo znižuje plochu o 80 % v porovnaní s tradičným balením TO-220.