Hvad skal bemærkes i layoutdesignet af medicinsk udstyrsdioder?

1, Polaritetsidentifikation og fejlforebyggende design
En diode har ensrettet ledningsevne, og vending af dens polaritet kan forårsage en kortslutning eller brænde enheden ud. I medicinsk udstyr kan denne fejl forårsage udstyrsfejl og endda skade på patienter. Derfor skal layoutdesignet nøje følge følgende principper:

Silketryksmærkning: Marker katoden (K) eller den negative elektrode (-) tydeligt rundt om diodelegemet, almindeligvis repræsenteret ved lodrette linjer, tykke linjer, indhak eller bogstavet "K". For eksempel kan overflademonterede dioder svare til katoder gennem farvebånd eller riller.
Emballagekorrespondance: PCB-emballeringspuder skal tydeligt skelnes mellem katode/anode. Typisk er katodepuder designet med indhak, hjørner eller specielle former for at undgå svejsefejl.
Retningsensartethed: Den samme type diode bør bevare samme retning (såsom alle katoder vender mod venstre/opad) for at reducere risikoen for svejsefejl.
Anti-fejldesign: Til kritiske kredsløb eller fejltilbøjelige situationer kan asymmetrisk pudedesign bruges til yderligere at forhindre polaritetsvending.
2, varmeafledningsdesign og termisk styring
I medicinsk udstyr genererer strømdioder (såsom ensrettere og friløbsrør) betydelig varme under drift. Dårlig varmeafledning kan føre til termisk nedbrud eller ydeevneforringelse. Layoutdesign skal optimere varmeafledning fra følgende aspekter:

Nærmer sig varmeafledningskilden: Placer strømdioden nær kølepladen eller kobberfolieområdet, og brug metalledere til hurtigt at lede varme. For eksempel, i strømmodulet til bærbare ultralydsenheder, er siliciumcarbiddioder i tæt kontakt med kølepladen gennem termiske puder for at reducere overgangstemperaturen.
Kobberbelægning med stort område: Forbind et stort område af jordkobberfolie (GND Plane) eller strømkobberfolie til diodens katode- og anodepuder for at forbedre varmeafledningsevnen. For eksempel i elektrodedetektionskredsløbet på en elektrokardiograf lægges flere lag kobberfolie under spændingsregulatorens diodepude og forbindes til det indre varmeafledningslag gennem vias.
Varmeafledning via: anbring tæt varmeafledning via huller (diameter 0,3 mm, afstand 0,5 -1 mm) i det område, hvor store kobberfolier er forbundet, og danner en bane med lav termisk modstand. For eksempel, i strømkonverteringskredsløbet af bærbart røntgenudstyr, bruges et gitter som via array under siliciumcarbiddioden, hvilket reducerer temperaturstigningen med 40 %.
Hold dig væk fra varmefølsomme komponenter: Undgå at placere varmedioder i nærheden af ​​varmefølsomme komponenter såsom elektrolytiske kondensatorer og præcisions-IC'er for at forhindre ydeevneforringelse forårsaget af termisk stress.
3, Elektrisk isolation og sikkerhedskrav
Medicinsk udstyr skal opfylde strenge elektriske sikkerhedsstandarder (såsom IEC 60601-1), og diodelayoutet skal sikre isolation mellem høj- og lavspændingsområder for at forhindre risikoen for elektrisk stød

Krybeafstand og elektrisk spillerum: Der skal opretholdes tilstrækkelig afstand mellem benene på højspændingsdioder (såsom dem over 600V) og andre højspændingsenheder/ledninger. For eksempel, i højspændingsgenereringskredsløbet i en defibrillator indstilles en krybeafstand på mindst 2 mm mellem dioden og kondensatoren, og isolationsstyrken øges ved at åbne vinduer.
Isoleringsrille og vindue: Mellem høj- og lavspændingsområder kan vinduer åbnes under loddemaskelaget (kobberfrit område), og der kan laves jævne slidser på printkortet for at øge krybeafstanden. For eksempel er højspændingssiden og lavspændingssiden i kraftmodulet til medicinsk laserudstyr fuldstændig adskilt af isolationsspalter.
Strømjord og signaljordadskillelse: Adskil fysisk strømjorden (PGND), der bærer store pulsstrømme, fra signaljorden (SGND), der kræver støjsvaghed, og tilslut dem på et enkelt punkt for at undgå interferens. For eksempel, i signalopsamlingskredsløbet på en bærbar monitor, er fotodiodens jordledning uafhængigt forbundet fra strømjorden for at reducere støjkobling.
4, EMI-undertrykkelse og høj-frekvensoptimering
I medicinsk udstyr kan diodernes højfrekvente koblingshandling generere elektromagnetisk interferens (EMI), som påvirker udstyrets ydeevne eller forstyrrer andet medicinsk udstyr. Layoutdesign skal undertrykke EMI fra følgende aspekter:

Minimer kritisk sløjfeområde: Komprimer layoutet af højfrekvente koblingssløjfekomponenter såsom dioder, koblingsrør, energilagringsspoler/kondensatorer osv., og forkort routinglængden. I Buck/Boost-kredsløb er friløbsdioden f.eks. placeret ved siden af ​​koblingstransistoren og danner et trekantet layout for at reducere sløjfeområdet.
Parasitisk parameterkontrol: I højfrekvente applikationer kan diodernes parasitkapacitet (Cj) og induktans (Ls) forårsage signaldæmpning eller ringning. Dioder med lav kapacitans (såsom Schottky-dioder) bør vælges, og strømbelastningseffekter bør reduceres ved at optimere ledninger (såsom 45 grader eller afrundede hjørner).
Afskærmning og filtrering: Jordisolering eller differentiel routing bruges til følsomme signallinjer (såsom I2C, SPI), og ferritperler eller filtreringskondensatorer tilføjes ved input/output terminalerne. For eksempel, i kommunikationsgrænsefladen til bærbare blodsukkermålere, kombineres TVS-dioder med common mode induktorer for at undertrykke ESD og ført interferens.
5, Beskyttelse layout og pålidelighed design
Medicinsk udstyr skal have høj pålidelighed, og diodelayout bør overveje beskyttelsesforanstaltninger såsom overspænding, overstrøm, ESD osv.:

Overspændingsbeskyttelse: Brug en Zener-diode eller TVS-diode ved strømindgangen for at fastspænde spændingen og forhindre spændingsspidser i at beskadige det sekundære kredsløb. For eksempel i strømmodulet i en bærbar oxygenkoncentrator er TVS-dioden forbundet parallelt ved indgangsenden med en responstid på mindre end 1ps og kan modstå 8kV kontaktudladning.
Overstrømsbeskyttelse: Strømmen begrænses af en seriemodstand eller strømbegrænsende diode for at forhindre, at dioden brænder ud på grund af overbelastning. For eksempel, i et lys-emitterende diode (LED) driverkredsløb, er en strømbegrænsende modstand forbundet i serie med LED'en for at sikre, at driftsstrømmen er inden for et sikkert område.
ESD-beskyttelse: Installer ESD-dioder nær datagrænseflader (såsom USB- og Ethernet-porte) og følg princippet om "tæt på ESD-indgang". For eksempel i USB-grænsefladen på bærbare ultralydsenheder er afstanden mellem TVS-dioden og stikket mindre end 3 cm, og jordterminalen er forbundet til jordplanet gennem flere vias, hvilket resulterer i et 15V fald i klemspændingen.
6, Layoutoptimering til specielle applikationsscenarier
Til de særlige behov for medicinsk udstyr skal diodelayoutet optimeres yderligere:

Fleksibelt kredsløbsdesign: I bærbart medicinsk udstyr, såsom smarte forbindinger, skal dioder forbindes gennem fleksible strømledninger for at tilpasse sig enhedens deformation. For eksempel er lysemitterende dioder forbundet til sensorsubstrater gennem fleksible PCB'er, og selvom tykkelsen af ​​forbindingen ændres, kan LED'erne stadig placeres stabilt på overfladen for at undgå at komprimere patientens berørte område.
Laveffektdesign: I bærbare enheder skal du vælge dioder med lav lækstrøm (såsom ultrahurtige genoprettelsesdioder) for at reducere det statiske strømforbrug. I signalopsamlingskredsløbet for bærbare elektrokardiogrammonitorer er fotodioder for eksempel designet med lav mørkestrøm og parret med operationsforstærkere med lav-støj for at forbedre signal-til-støjforholdet.
Højdensitetsintegration: I mikromedicinsk udstyr, såsom implanterbare sensorer, bruges miniaturiserede pakkede dioder (såsom DFN, SOD-123) for at spare plads. For eksempel, i strømstyringskredsløbet af neurale stimulatorer, er siliciumcarbiddioder pakket i DFN, hvilket reducerer arealet med 80 % sammenlignet med traditionel TO-220 emballage.