Τι πρέπει να σημειωθεί στον σχεδιασμό της διάταξης των διόδων ιατροτεχνολογικών προϊόντων;

1, Αναγνώριση πολικότητας και σχεδιασμός πρόληψης σφαλμάτων
Μια δίοδος έχει αγωγιμότητα μονής κατεύθυνσης και η αντιστροφή της πολικότητας της μπορεί να προκαλέσει βραχυκύκλωμα ή να κάψει τη συσκευή. Στον ιατρικό εξοπλισμό, αυτό το σφάλμα μπορεί να προκαλέσει βλάβη του εξοπλισμού και ακόμη και βλάβη στους ασθενείς. Επομένως, ο σχεδιασμός της διάταξης πρέπει να ακολουθεί αυστηρά τις ακόλουθες αρχές:

Σήμανση μεταξωτής οθόνης: Σημειώστε ξεκάθαρα την κάθοδο (K) ή το αρνητικό ηλεκτρόδιο (-) γύρω από το σώμα της διόδου, που συνήθως αντιπροσωπεύεται από κάθετες γραμμές, παχιές γραμμές, σημάδια εγκοπής ή το γράμμα "K". Για παράδειγμα, οι δίοδοι επιφανειακής τοποθέτησης μπορούν να αντιστοιχούν σε καθόδους μέσω χρωματικών ζωνών ή αυλακώσεων.
Αντιστοιχία συσκευασίας: Τα επιθέματα συσκευασίας PCB πρέπει να διακρίνονται σαφώς μεταξύ καθόδου/ανόδου. Συνήθως, τα τακάκια καθόδου σχεδιάζονται με εγκοπές, γωνίες ή ειδικά σχήματα για την αποφυγή σφαλμάτων συγκόλλησης.
Ομοιομορφία κατεύθυνσης: Ο ίδιος τύπος διόδου πρέπει να διατηρεί την ίδια κατεύθυνση (όπως όλες οι κάθοδοι στραμμένες προς τα αριστερά/πάνω) για να μειωθεί ο κίνδυνος σφαλμάτων συγκόλλησης.
Σχεδιασμός κατά των σφαλμάτων: Για κρίσιμα κυκλώματα ή καταστάσεις επιρρεπείς σε σφάλματα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ασύμμετρος σχεδιασμός μαξιλαριού για την περαιτέρω αποφυγή της αντιστροφής της πολικότητας.
2, Σχεδιασμός απαγωγής θερμότητας και θερμική διαχείριση
Στον ιατρικό εξοπλισμό, οι δίοδοι ισχύος (όπως ανορθωτές και σωλήνες ελεύθερου τροχού) παράγουν σημαντική θερμότητα κατά τη λειτουργία. Η κακή διάχυση θερμότητας μπορεί να οδηγήσει σε θερμική διάσπαση ή υποβάθμιση της απόδοσης. Ο σχεδιασμός της διάταξης πρέπει να βελτιστοποιεί την απαγωγή θερμότητας από τις ακόλουθες πτυχές:

Πλησιάζοντας την πηγή απαγωγής θερμότητας: Τοποθετήστε τη δίοδο ισχύος κοντά στην περιοχή της ψύκτρας ή του φύλλου χαλκού και χρησιμοποιήστε μεταλλικούς αγωγούς για να μεταφέρετε γρήγορα τη θερμότητα. Για παράδειγμα, στη μονάδα ισχύος των φορητών συσκευών υπερήχων, οι δίοδοι καρβιδίου του πυριτίου βρίσκονται σε στενή επαφή με την ψύκτρα μέσω θερμικών μαξιλαριών για μείωση της θερμοκρασίας σύνδεσης.
Επιμετάλλωση χαλκού μεγάλης επιφάνειας: Συνδέστε μια μεγάλη περιοχή κονιοποιημένου φύλλου χαλκού (GND Plane) ή φύλλου χαλκού power στα μαξιλαράκια καθόδου και ανόδου της διόδου για να βελτιώσετε την ικανότητα απαγωγής θερμότητας. Για παράδειγμα, στο κύκλωμα ανίχνευσης ηλεκτροδίων ενός ηλεκτροκαρδιογράφου, πολλαπλές στρώσεις φύλλου χαλκού τοποθετούνται κάτω από το μαξιλάρι διόδου του ρυθμιστή τάσης και συνδέονται με το εσωτερικό στρώμα απαγωγής θερμότητας μέσω διόδων.
Διαρροή θερμότητας μέσω: Τακτοποιήστε πυκνά τη διαρροή θερμότητας μέσω οπών (διάμετρος 0,3 mm, απόσταση 0,5-} 1 mm) στην περιοχή όπου συνδέονται μεγάλα φύλλα χαλκού, σχηματίζοντας μια διαδρομή χαμηλής θερμικής αντίστασης. Για παράδειγμα, στο κύκλωμα μετατροπής ισχύος του φορητού εξοπλισμού ακτίνων Χ, χρησιμοποιείται ένα πλέγμα όπως μέσω συστοιχίας κάτω από τη δίοδο καρβιδίου του πυριτίου, μειώνοντας την αύξηση της θερμοκρασίας κατά 40%.
Μείνετε μακριά από ευαίσθητα στη θερμότητα εξαρτήματα: Αποφύγετε την τοποθέτηση διόδων θέρμανσης σε κοντινή απόσταση από ευαίσθητα στη θερμότητα εξαρτήματα όπως ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές και IC ακριβείας για να αποτρέψετε την υποβάθμιση της απόδοσης που προκαλείται από τη θερμική καταπόνηση.
3, Απαιτήσεις κανονισμών ηλεκτρικής απομόνωσης και ασφάλειας
Ο ιατρικός εξοπλισμός πρέπει να πληροί αυστηρά πρότυπα ηλεκτρικής ασφάλειας (όπως το IEC 60601-1) και η διάταξη της διόδου πρέπει να διασφαλίζει την απομόνωση μεταξύ των περιοχών υψηλής και χαμηλής τάσης για την πρόληψη του κινδύνου ηλεκτροπληξίας

Απόσταση ερπυσμού και ηλεκτρική απόσταση: Θα πρέπει να διατηρείται επαρκής απόσταση μεταξύ των ακίδων των διόδων υψηλής-τάσης (όπως αυτές άνω των 600 V) και άλλων συσκευών/καλωδίων υψηλής- τάσης. Για παράδειγμα, στο κύκλωμα παραγωγής υψηλής{4}τάσης ενός απινιδωτή, ορίζεται απόσταση ερπυσμού τουλάχιστον 2 mm μεταξύ της διόδου και του πυκνωτή και η αντοχή μόνωσης αυξάνεται με το άνοιγμα των παραθύρων.
Αύλακα και παράθυρο απομόνωσης: Μεταξύ των περιοχών υψηλής και χαμηλής τάσης, τα παράθυρα μπορούν να ανοίξουν κάτω από το στρώμα μάσκας συγκόλλησης (περιοχή χωρίς χαλκό) και μπορούν να γίνουν ακόμη και υποδοχές στο PCB για να αυξηθεί η απόσταση ερπυσμού. Για παράδειγμα, στη μονάδα ισχύος του ιατρικού εξοπλισμού λέιζερ, η πλευρά υψηλής τάσης και η πλευρά χαμηλής τάσης διαχωρίζονται πλήρως με υποδοχές απομόνωσης.
Γείωση ισχύος και διαχωρισμός γείωσης σήματος: Διαχωρίστε φυσικά τη γείωση ισχύος (PGND) που μεταφέρει μεγάλα παλμικά ρεύματα από τη γείωση σήματος (SGND) που απαιτεί ησυχία και συνδέστε τα σε ένα μόνο σημείο για να αποφύγετε παρεμβολές. Για παράδειγμα, στο κύκλωμα λήψης σήματος μιας φορητής οθόνης, το καλώδιο γείωσης της φωτοδιόδου συνδέεται ανεξάρτητα από τη γείωση ισχύος για μείωση της σύζευξης θορύβου.
4, καταστολή EMI και βελτιστοποίηση υψηλής-συχνότητας
Στον ιατρικό εξοπλισμό, η ενέργεια μεταγωγής υψηλής{0}συχνότητας των διόδων μπορεί να προκαλέσει ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI), επηρεάζοντας την απόδοση του εξοπλισμού ή παρεμβολές με άλλες ιατρικές συσκευές. Ο σχεδιασμός διάταξης πρέπει να καταστείλει το EMI από τις ακόλουθες πτυχές:

Ελαχιστοποιήστε την περιοχή κρίσιμου βρόχου: Συμπυκνώστε τη διάταξη εξαρτημάτων βρόχου μεταγωγής υψηλής-συχνότητας, όπως διόδους, σωλήνες μεταγωγής, επαγωγείς/πυκνωτές αποθήκευσης ενέργειας κ.λπ., και συντομεύστε το μήκος δρομολόγησης. Για παράδειγμα, στα κυκλώματα Buck/Boost, η δίοδος ελεύθερου τροχού τοποθετείται δίπλα στο τρανζίστορ μεταγωγής, σχηματίζοντας μια τριγωνική διάταξη για μείωση της περιοχής βρόχου.
Έλεγχος παρασιτικών παραμέτρων: Σε εφαρμογές υψηλής-συχνότητας, η παρασιτική χωρητικότητα (Cj) και η επαγωγή (Ls) των διόδων μπορεί να προκαλέσουν εξασθένηση του σήματος ή κουδούνισμα. Θα πρέπει να επιλεγούν δίοδοι χαμηλής χωρητικότητας (όπως οι δίοδοι Schottky) και τα τρέχοντα φαινόμενα συνωστισμού θα πρέπει να μειωθούν βελτιστοποιώντας την καλωδίωση (όπως γωνίες 45 μοιρών ή στρογγυλεμένες γωνίες).
Θωράκιση και φιλτράρισμα: Η απομόνωση εδάφους ή η διαφορική δρομολόγηση χρησιμοποιείται για ευαίσθητες γραμμές σήματος (όπως I2C, SPI) και προστίθενται σφαιρίδια φερρίτη ή πυκνωτές φιλτραρίσματος στους ακροδέκτες εισόδου/εξόδου. Για παράδειγμα, στη διεπαφή επικοινωνίας φορητών μετρητών γλυκόζης αίματος, οι δίοδοι TVS συνδυάζονται με επαγωγείς κοινής λειτουργίας για την καταστολή της ESD και των αγώγιμων παρεμβολών.
5, διάταξη προστασίας και σχεδιασμός αξιοπιστίας
Ο ιατρικός εξοπλισμός πρέπει να έχει υψηλή αξιοπιστία και η διάταξη των διόδων θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη προστατευτικά μέτρα όπως υπέρταση, υπερβολικό ρεύμα, ESD κ.λπ.:

Προστασία από υπέρταση: Χρησιμοποιήστε μια δίοδο Zener ή μια δίοδο TVS στην είσοδο ισχύος για να συσφίξετε την τάση και να αποτρέψετε τις αιχμές τάσης από το να καταστρέψουν το δευτερεύον κύκλωμα. Για παράδειγμα, στη μονάδα ισχύος ενός φορητού συμπυκνωτή οξυγόνου, η δίοδος TVS συνδέεται παράλληλα στο άκρο εισόδου, με χρόνο απόκρισης μικρότερο από 1 ps και μπορεί να αντέξει εκφόρτιση επαφής 8 kV.
Προστασία από υπερένταση: Το ρεύμα περιορίζεται από μια αντίσταση σειράς ή μια δίοδο περιορισμού ρεύματος για να αποτρέψει την καύση της διόδου λόγω υπερφόρτωσης. Για παράδειγμα, σε ένα κύκλωμα οδηγού δίοδος εκπομπής φωτός (LED), μια αντίσταση περιορισμού ρεύματος συνδέεται σε σειρά με το LED για να διασφαλιστεί ότι το ρεύμα λειτουργίας βρίσκεται εντός ασφαλούς εύρους.
Προστασία ESD: Εγκαταστήστε διόδους ESD κοντά σε διεπαφές δεδομένων (όπως θύρες USB και Ethernet) και ακολουθήστε την αρχή "κοντά στην είσοδο ESD". Για παράδειγμα, στη διασύνδεση USB φορητών συσκευών υπερήχων, η απόσταση μεταξύ της διόδου TVS και του βύσματος είναι μικρότερη από 3 cm και ο ακροδέκτης γείωσης συνδέεται με το επίπεδο γείωσης μέσω πολλαπλών αγωγών, με αποτέλεσμα τη μείωση της τάσης σύσφιξης κατά 15 V.
6, Βελτιστοποίηση διάταξης για ειδικά σενάρια εφαρμογών
Για τις ειδικές ανάγκες ιατρικού εξοπλισμού, η διάταξη των διόδων πρέπει να βελτιστοποιηθεί περαιτέρω:

Σχεδιασμός ευέλικτου κυκλώματος: Σε φορητές ιατρικές συσκευές, όπως έξυπνους επιδέσμους, οι δίοδοι πρέπει να συνδέονται μέσω εύκαμπτης καλωδίωσης ισχύος για να προσαρμοστούν στην παραμόρφωση της συσκευής. Για παράδειγμα, οι δίοδοι εκπομπής φωτός- συνδέονται με υποστρώματα αισθητήρων μέσω εύκαμπτων PCB και ακόμη και αν το πάχος του επιδέσμου αλλάξει, τα LED μπορούν να τοποθετηθούν σταθερά στην επιφάνεια για να αποφευχθεί η συμπίεση της πληγείσας περιοχής του ασθενούς.
Σχεδιασμός χαμηλής ισχύος: Σε φορητές συσκευές, επιλέξτε διόδους ρεύματος χαμηλής διαρροής (όπως οι διόδους υπερταχείας ανάκτησης) για να μειώσετε την κατανάλωση στατικής ενέργειας. Για παράδειγμα, στο κύκλωμα λήψης σήματος φορητών οθονών ηλεκτροκαρδιογραφήματος, οι φωτοδίοδοι σχεδιάζονται με χαμηλό σκοτεινό ρεύμα και συνδυάζονται με λειτουργικούς ενισχυτές χαμηλού θορύβου για τη βελτίωση της αναλογίας σήματος προς-θόρυβο.
Ενσωμάτωση υψηλής πυκνότητας: Σε μικροϊατρικές συσκευές, όπως εμφυτεύσιμους αισθητήρες, χρησιμοποιούνται μικροσκοπικές συσκευασμένες δίοδοι (όπως DFN, SOD-123) για εξοικονόμηση χώρου. Για παράδειγμα, στο κύκλωμα διαχείρισης ισχύος των νευρικών διεγερτών, οι δίοδοι καρβιδίου του πυριτίου συσκευάζονται σε DFN, γεγονός που μειώνει την περιοχή κατά 80% σε σύγκριση με την παραδοσιακή συσκευασία TO-220.