На що слід звернути увагу при компонуванні діодів медичного приладу?

1, Ідентифікація полярності та дизайн запобігання помилкам
Діод має однонаправлену провідність, і зміна його полярності може призвести до короткого замикання або перегорання пристрою. У медичному обладнанні ця помилка може спричинити поломку обладнання та навіть завдати шкоди пацієнтам. Тому дизайн макета повинен суворо відповідати наступним принципам:

Трафаретне маркування: чітко позначте катод (K) або негативний електрод (-) навколо корпусу діода, зазвичай представлений вертикальними лініями, товстими лініями, позначками з виїмками або літерою «K». Наприклад, діоди для поверхневого монтажу можуть відповідати катодам за допомогою кольорових смуг або канавок.
Відповідність упаковки: накладки для упаковки друкованих плат мають бути чітко розмежовані між катодом і анодом. Як правило, катодні прокладки мають виїмки, кути або спеціальні форми, щоб уникнути помилок при зварюванні.
Однорідність напряму: один і той самий тип діода повинен мати однаковий напрямок (наприклад, усі катоди спрямовані вліво/вгору), щоб зменшити ризик помилок під час зварювання.
Конструкція проти помилок: для критичних ланцюгів або ситуацій, схильних до помилок, можна використовувати асиметричну конструкцію колодки, щоб додатково запобігти переполюсуванню.
2, Конструкція розсіювання тепла та управління температурою
У медичному обладнанні силові діоди (такі як випрямлячі та трубки вільного ходу) виділяють значну кількість тепла під час роботи. Погане розсіювання тепла може призвести до теплового пробою або погіршення продуктивності. Розробка планування повинна оптимізувати розсіювання тепла з таких аспектів:

Наближення до джерела розсіювання тепла: розмістіть силовий діод біля радіатора або області з мідної фольги та використовуйте металеві провідники для швидкого відведення тепла. Наприклад, у силовому модулі портативних ультразвукових пристроїв діоди з карбіду кремнію знаходяться в тісному контакті з радіатором через термопрокладки для зниження температури переходу.
Обміднення великої площі: підключіть велику площу шліфованої мідної фольги (площина GND) або силової мідної фольги до катодних і анодних майданчиків діода, щоб покращити здатність розсіювати тепло. Наприклад, у схемі детектування електродів електрокардіографа кілька шарів мідної фольги прокладено під діодною площадкою регулятора напруги та з’єднано з внутрішнім шаром розсіювання тепла через отвори.
Розсіювання тепла через: щільно розташуйте розсіювання тепла через отвори (діаметр 0,3 мм, відстань 0,5-1 мм) у зоні з’єднання великої мідної фольги, утворюючи низький термічний опір. Наприклад, у схемі перетворення електроенергії портативного рентгенівського обладнання під діодом з карбіду кремнію використовується сітка, подібна до наскрізної матриці, що зменшує підвищення температури на 40%.
Тримайтеся подалі від чутливих до тепла компонентів: уникайте розміщення нагрівальних діодів у безпосередній близькості до чутливих до тепла компонентів, таких як електролітичні конденсатори та точні мікросхеми, щоб запобігти погіршенню продуктивності, спричиненому термічним навантаженням.
3, Вимоги щодо електричної ізоляції та безпеки
Медичне обладнання має відповідати суворим стандартам електробезпеки (наприклад, IEC 60601-1), а схема діодів має забезпечувати ізоляцію між зонами високої та низької напруги, щоб запобігти ризику ураження електричним струмом

Шлях витоку струму та електричний зазор: між контактами високо-діодів (наприклад, понад 600 В) та іншими високо-пристроями/проводкою має бути достатня відстань. Наприклад, у ланцюзі генерації високої -напруги дефібрилятора між діодом і конденсатором встановлюється шлях витоку щонайменше 2 мм, а міцність ізоляції підвищується шляхом відкривання вікон.
Ізоляційна канавка та вікно: між зонами високої та низької напруги вікна можуть бути відкриті під шаром маски припою (зона, вільна від міді), і навіть прорізи можуть бути зроблені на друкованій платі для збільшення шляху витоку. Наприклад, у силовому модулі медичного лазерного обладнання сторони високої та низької напруги повністю розділені ізоляційними прорізами.
Розділення заземлення живлення та заземлення сигналу: фізично відокремте заземлення живлення (PGND), що передає великі імпульсні струми, від заземлення сигналу (SGND), яке потребує тиші, і з’єднайте їх в одній точці, щоб уникнути перешкод. Наприклад, у схемі отримання сигналу портативного монітора дріт заземлення фотодіода підключається незалежно від заземлення живлення для зменшення шумового зв’язку.
4, придушення електромагнітних перешкод і оптимізація високих-частот
У медичному обладнанні високочастотне перемикання діодів може створювати електромагнітні перешкоди (EMI), впливаючи на продуктивність обладнання або заважаючи іншим медичним пристроям. Дизайн макета повинен пригнічувати EMI з таких аспектів:

Мінімізуйте критичну площу петлі: ущільніть компонування високочастотних компонентів петлі перемикання, таких як діоди, комутаційні лампи, індуктори/конденсатори накопичувачів енергії тощо, і скоротіть довжину маршруту. Наприклад, у схемах Buck/Boost діод вільного ходу розміщується поруч із перемикаючим транзистором, утворюючи трикутну схему для зменшення площі петлі.
Контроль паразитних параметрів: у високо-частотних програмах паразитна ємність (Cj) та індуктивність (Ls) діодів можуть спричинити ослаблення сигналу або дзвін. Слід вибирати діоди з низькою ємністю (наприклад, діоди Шотткі), а ефект скупчення струму слід зменшити шляхом оптимізації проводки (наприклад, 45 градусів або закруглені кути).
Екранування та фільтрація: для чутливих сигнальних ліній (таких як I2C, SPI) використовується ізоляція заземлення або диференціальна маршрутизація, а на вхідних/вихідних клемах додаються феритові кульки або фільтруючі конденсатори. Наприклад, в комунікаційному інтерфейсі портативних глюкометрів TVS-діоди поєднуються з синфазними індукторами для придушення ESD і кондуктивних перешкод.
5, Схема захисту та дизайн надійності
Медичне обладнання повинно мати високу надійність, а компонування діодів має враховувати такі захисні заходи, як перенапруга, перевантаження по струму, ESD тощо:

Захист від перенапруги: використовуйте діод Зенера або діод TVS на вході живлення, щоб обмежити напругу та запобігти стрибкам напруги від пошкодження вторинного кола. Наприклад, у силовому модулі портативного кисневого концентратора діод TVS підключений паралельно на вхідному кінці з часом відгуку менше 1 пс і може витримувати контактний розряд 8 кВ.
Захист від перевантаження по струму: Струм обмежується послідовним резистором або струмообмежуючим діодом, щоб запобігти перегорянню діода через перевантаження. Наприклад, у схемі драйвера світлодіода (СІД) резистор, що обмежує струм, з’єднаний послідовно зі світлодіодом, щоб гарантувати, що робочий струм знаходиться в безпечному діапазоні.
Захист від електростатичного розряду: встановлюйте діоди електростатичного розряду поблизу інтерфейсів даних (таких як порти USB і Ethernet) і дотримуйтесь принципу «близько до входу електростатичного розряду». Наприклад, в USB-інтерфейсі портативних ультразвукових пристроїв відстань між діодом TVS і роз’ємом становить менше 3 см, а клема заземлення з’єднана з площиною заземлення через кілька отворів, що призводить до зниження напруги фіксації на 15 В.
6, Оптимізація макета для спеціальних сценаріїв застосування
Для особливих потреб медичного обладнання розташування діодів потребує подальшої оптимізації:

Гнучка конструкція схеми: у переносних медичних пристроях, таких як розумні перев’язувальні матеріали, діоди потрібно підключати через гнучку проводку живлення, щоб адаптуватися до деформації пристрою. Наприклад, світло-діоди під’єднані до сенсорних підкладок за допомогою гнучких друкованих плат, і навіть якщо товщина пов’язки змінюється, світлодіоди все ще можна стабільно розташувати на поверхні, щоб уникнути стиснення ураженої ділянки пацієнта.
Конструкція з низьким енергоспоживанням: у портативних пристроях вибирайте діоди з низьким струмом витоку (наприклад, діоди з надшвидким відновленням), щоб зменшити статичне енергоспоживання. Наприклад, у схемі отримання сигналу портативних електрокардіограмних моніторів фотодіоди розроблені з низьким темновим струмом і поєднані з мало{1}}шумними операційними підсилювачами для покращення співвідношення-до-шуму.
Інтеграція з високою щільністю: у мікромедичних пристроях, таких як імплантовані датчики, мініатюрні упаковані діоди (такі як DFN, SOD-123) використовуються для економії місця. Наприклад, у схемі керування живленням нейростимуляторів карбідокремнієві діоди упаковані в DFN, що зменшує площу на 80% у порівнянні з традиційною упаковкою TO-220.