Na co si dát pozor při návrhu uspořádání diod zdravotnických zařízení?

1, Identifikace polarity a návrh prevence chyb
Dioda má jednosměrnou vodivost a obrácení její polarity může způsobit zkrat nebo spálení zařízení. U lékařského vybavení může tato chyba způsobit selhání zařízení a dokonce i poškození pacientů. Návrh rozvržení proto musí přísně dodržovat následující zásady:

Značení sítotiskem: Jasně označte katodu (K) nebo zápornou elektrodu (-) kolem těla diody, běžně představovanou svislými čarami, tlustými čarami, značkami vrubů nebo písmenem „K“. Například diody pro povrchovou montáž mohou odpovídat katodám prostřednictvím barevných pásů nebo drážek.
Korespondence s balením: Podložky pro balení PCB je třeba jasně rozlišovat mezi katodou a anodou. Obvykle jsou katodové podložky navrženy se zářezy, rohy nebo speciálními tvary, aby se zabránilo chybám při svařování.
Rovnoměrnost směru: Stejný typ diody by měl udržovat stejný směr (jako jsou všechny katody směřující doleva/nahoru), aby se snížilo riziko svařovacích chyb.
Návrh proti chybám: Pro kritické obvody nebo situace náchylné k chybám lze použít asymetrický design podložky, aby se dále zabránilo přepólování.
2, Návrh odvodu tepla a tepelné řízení
V lékařských zařízeních vytvářejí výkonové diody (jako jsou usměrňovače a volnoběžné trubice) během provozu značné teplo. Špatný odvod tepla může vést k tepelnému průrazu nebo snížení výkonu. Návrh uspořádání musí optimalizovat odvod tepla z následujících aspektů:

Přiblížení se ke zdroji odvodu tepla: Umístěte výkonovou diodu blízko chladiče nebo oblasti s měděnou fólií a použijte kovové vodiče k rychlému vedení tepla. Například v napájecím modulu přenosných ultrazvukových zařízení jsou diody z karbidu křemíku v těsném kontaktu s chladičem přes tepelné podložky, aby se snížila teplota přechodu.
Velkoplošné měděné pokovení: Připojte velkou plochu zemní měděné fólie (GND Plane) nebo napájecí měděné fólie ke katodě a anodovým podložkám diody, abyste zvýšili schopnost rozptylu tepla. Například v elektrodovém detekčním obvodu elektrokardiografu je pod diodovou podložku regulátoru napětí položeno více vrstev měděné fólie a připojeno k vnitřní vrstvě rozptylující teplo přes prokovy.
Odvod tepla přes: hustě uspořádejte odvod tepla přes otvory (průměr 0,3 mm, rozteč 0,5-1 mm) v oblasti, kde jsou připojeny velké měděné fólie, tvořící cestu s nízkým tepelným odporem. Například v obvodu pro přeměnu energie přenosného rentgenového zařízení se pod diodou z karbidu křemíku používá mřížka typu via array, která snižuje nárůst teploty o 40 %.
Drž se dál od součástek citlivých na teplo: Neumisťujte topné diody do těsné blízkosti součástek citlivých na teplo, jako jsou elektrolytické kondenzátory a přesné integrované obvody, abyste předešli snížení výkonu způsobenému tepelným namáháním.
3, Elektrická izolace a požadavky bezpečnostních předpisů
Lékařské vybavení musí splňovat přísné normy elektrické bezpečnosti (jako je IEC 60601-1) a uspořádání diod musí zajišťovat izolaci mezi oblastmi vysokého a nízkého napětí, aby se zabránilo riziku úrazu elektrickým proudem.

Povrchová vzdálenost a elektrická vzdálenost: Mezi kolíky vysokonapěťových diod (např. nad 600 V) a dalších vysokonapěťových zařízení/kabelů by měla být zachována dostatečná vzdálenost. Například ve vysokonapěťovém generovacím obvodu defibrilátoru je mezi diodou a kondenzátorem nastavena povrchová vzdálenost alespoň 2 mm a pevnost izolace se zvyšuje otevřením oken.
Izolační drážka a okénko: Mezi oblastmi vysokého a nízkého napětí lze otevřít okénka pod vrstvou pájecí masky (oblast bez mědi) a na desce plošných spojů lze dokonce vytvořit štěrbiny pro zvýšení povrchové vzdálenosti. Například u výkonového modulu lékařského laserového zařízení jsou vysokonapěťová a nízkonapěťová strana zcela odděleny izolačními štěrbinami.
Napájecí uzemnění a oddělení signálového uzemnění: fyzicky oddělte výkonové uzemnění (PGND) přenášející velké pulzní proudy od signálového uzemnění (SGND), které vyžaduje ticho, a připojte je v jednom bodě, aby se zabránilo rušení. Například v obvodu získávání signálu přenosného monitoru je zemnící vodič fotodiody nezávisle zapojen od napájecího uzemnění, aby se snížila rušení.
4, potlačení EMI a optimalizace vysokých-frekvencí
Ve zdravotnických zařízeních může vysokofrekvenční spínání diod generovat elektromagnetické rušení (EMI), které ovlivňuje výkon zařízení nebo interferuje s jinými lékařskými zařízeními. Návrh rozložení musí potlačit EMI z následujících aspektů:

Minimalizace oblasti kritické smyčky: Kompaktní uspořádání komponent vysokofrekvenčních spínacích smyček, jako jsou diody, spínací trubice, indukční cívky/kondenzátory atd., a zkraťte délku vedení. Například v obvodech Buck/Boost je volnoběžná dioda umístěna vedle spínacího tranzistoru a tvoří trojúhelníkové uspořádání pro zmenšení oblasti smyčky.
Řízení parazitních parametrů: Ve vysokofrekvenčních aplikacích může parazitní kapacita (Cj) a indukčnost (Ls) diod způsobit útlum signálu nebo zvonění. Měly by být vybrány nízkokapacitní diody (jako jsou Schottkyho diody) a efekty shlukování proudu by měly být sníženy optimalizací zapojení (jako jsou 45 stupňů nebo zaoblené rohy).
Stínění a filtrování: Pro citlivá signálová vedení (jako I2C, SPI) se používá zemní izolace nebo diferenciální směrování a na vstupní/výstupní svorky jsou přidány feritové kuličky nebo filtrační kondenzátory. Například v komunikačním rozhraní přenosných glukometrů jsou diody TVS kombinovány s induktory společného režimu pro potlačení ESD a rušení vedením.
5, Uspořádání ochrany a návrh spolehlivosti
Lékařské vybavení musí mít vysokou spolehlivost a uspořádání diod by mělo brát v úvahu ochranná opatření, jako je přepětí, nadproud, ESD atd.:

Přepěťová ochrana: Použijte Zenerovu diodu nebo TVS diodu na napájecím vstupu pro spínání napětí a zabránění napěťovým špičkám v poškození sekundárního obvodu. Například ve výkonovém modulu přenosného kyslíkového koncentrátoru je TVS dioda zapojena paralelně na vstupním konci, s dobou odezvy menší než 1ps, a vydrží 8kV kontaktní výboj.
Nadproudová ochrana: Proud je omezen sériovým rezistorem nebo diodou omezující proud, aby se zabránilo spálení diody v důsledku přetížení. Například v budicím obvodu světelné -diody (LED) je do série s LED zapojen odpor omezující proud, aby bylo zajištěno, že provozní proud je v bezpečném rozsahu.
ESD ochrana: Nainstalujte ESD diody v blízkosti datových rozhraní (jako jsou USB a Ethernet porty) a dodržujte princip "blízko ESD vstupu". Například v rozhraní USB přenosných ultrazvukových zařízení je vzdálenost mezi diodou TVS a konektorem menší než 3 cm a zemnící svorka je připojena k zemní ploše pomocí více průchodů, což má za následek snížení upínacího napětí o 15 V.
6, Optimalizace rozvržení pro speciální aplikační scénáře
Pro speciální potřeby lékařského vybavení je třeba rozložení diod dále optimalizovat:

Flexibilní návrh obvodu: V nositelných lékařských zařízeních, jako jsou chytré obvazy, je třeba diody připojit pomocí flexibilního napájecího vedení, aby se přizpůsobily deformaci zařízení. Například světelné-diody jsou připojeny k substrátům senzorů prostřednictvím flexibilních desek plošných spojů, a i když se tloušťka obvazu změní, LED diody mohou být stále stabilně uspořádány na povrchu, aby nedošlo ke stlačení postižené oblasti pacienta.
Nízkoenergetický design: V přenosných zařízeních zvolte diody s nízkým svodovým proudem (jako jsou diody s ultrarychlou obnovou), abyste snížili statickou spotřebu energie. Například v obvodu sběru signálu přenosných elektrokardiografických monitorů jsou fotodiody navrženy s nízkým temným proudem a spárovány s nízkošumovými operačními zesilovači, aby se zlepšil poměr signálu-k{3}}šumu.
Integrace s vysokou hustotou: V mikro lékařských zařízeních, jako jsou implantovatelné senzory, se pro úsporu místa používají miniaturizované zabalené diody (jako DFN, SOD-123). Například v obvodu řízení napájení nervových stimulátorů jsou diody z karbidu křemíku zabalené v DFN, což snižuje plochu o 80 % ve srovnání s tradičním balením TO-220.