Cần lưu ý gì trong thiết kế bố trí điốt thiết bị y tế?

1, Thiết kế nhận dạng phân cực và ngăn ngừa lỗi
Điốt có độ dẫn điện một chiều và việc đảo ngược cực tính của nó có thể gây đoản mạch hoặc làm cháy thiết bị. Trong thiết bị y tế, lỗi này có thể khiến thiết bị bị hỏng, thậm chí gây hại cho người bệnh. Vì vậy, việc thiết kế bố trí phải tuân thủ nghiêm ngặt các nguyên tắc sau:

Đánh dấu màn hình lụa: Đánh dấu rõ ràng cực âm (K) hoặc điện cực âm (-) xung quanh thân đi-ốt, thường được biểu thị bằng các đường thẳng đứng, đường đậm, dấu khía hoặc chữ "K". Ví dụ, điốt gắn trên bề mặt có thể tương ứng với cực âm thông qua các dải màu hoặc rãnh.
Sự tương ứng về bao bì: Các miếng đóng gói PCB cần được phân biệt rõ ràng giữa cực âm/cực dương. Thông thường, miếng đệm cực âm được thiết kế có khía, góc hoặc hình dạng đặc biệt để tránh sai sót khi hàn.
Tính đồng nhất về hướng: Cùng một loại diode nên duy trì cùng một hướng (chẳng hạn như tất cả các cực âm hướng sang trái/lên) để giảm nguy cơ lỗi hàn.
Thiết kế chống nhầm lẫn: Đối với các mạch quan trọng hoặc các tình huống dễ xảy ra lỗi, thiết kế miếng đệm không đối xứng có thể được sử dụng để ngăn chặn sự đảo cực hơn nữa.
2, Thiết kế tản nhiệt và quản lý nhiệt
Trong thiết bị y tế, điốt công suất (chẳng hạn như bộ chỉnh lưu và ống quay tự do) tạo ra nhiệt đáng kể trong quá trình hoạt động. Tản nhiệt kém có thể dẫn đến sự cố nhiệt hoặc suy giảm hiệu suất. Thiết kế bố cục cần tối ưu hóa khả năng tản nhiệt từ các khía cạnh sau:

Tiếp cận nguồn tản nhiệt: Đặt diode nguồn gần khu vực tản nhiệt hoặc lá đồng và sử dụng dây dẫn kim loại để dẫn nhiệt nhanh. Ví dụ, trong mô-đun nguồn của thiết bị siêu âm cầm tay, điốt silicon cacbua tiếp xúc chặt chẽ với bộ tản nhiệt thông qua các miếng đệm nhiệt để giảm nhiệt độ mối nối.
Mạ đồng diện tích lớn: Nối một diện tích lớn lá đồng nối đất (Mặt phẳng GND) hoặc lá đồng cấp nguồn vào các miếng cực âm và cực dương của diode để tăng cường khả năng tản nhiệt. Ví dụ, trong mạch phát hiện điện cực của máy điện tâm đồ, nhiều lớp lá đồng được đặt dưới miếng đệm diode điều chỉnh điện áp và kết nối với lớp tản nhiệt bên trong thông qua vias.
Tản nhiệt qua: bố trí dày đặc tản nhiệt qua các lỗ (đường kính 0,3mm, khoảng cách 0,5-1mm) tại khu vực nối các lá đồng lớn, tạo thành đường dẫn nhiệt có khả năng cản nhiệt thấp. Ví dụ, trong mạch chuyển đổi năng lượng của thiết bị X-quang di động, một lưới giống như mảng được sử dụng bên dưới diode silicon cacbua, giúp giảm 40% mức tăng nhiệt độ.
Tránh xa các bộ phận nhạy cảm với nhiệt: Tránh đặt điốt sưởi gần các bộ phận nhạy cảm với nhiệt như tụ điện và IC chính xác để ngăn chặn sự suy giảm hiệu suất do ứng suất nhiệt.
3, Yêu cầu về cách ly điện và an toàn
Thiết bị y tế phải đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về an toàn điện (như IEC 60601-1), bố trí diode phải đảm bảo cách ly giữa khu vực điện áp cao và thấp để tránh nguy cơ bị điện giật.

Khoảng cách đường rò và khe hở điện: Cần duy trì khoảng cách thích hợp giữa các chân của điốt-điện áp cao (chẳng hạn như các điốt trên 600V) và các thiết bị/dây điện-cao áp khác. Ví dụ: trong mạch tạo điện áp cao{4}}của máy khử rung tim, khoảng cách đường rò ít nhất là 2 mm được đặt giữa điốt và tụ điện, đồng thời cường độ cách điện được tăng lên bằng cách mở cửa sổ.
Rãnh cách ly và cửa sổ: Giữa khu vực điện áp cao và thấp, các cửa sổ có thể được mở dưới lớp mặt nạ hàn (khu vực không có đồng) và thậm chí có thể tạo các khe trên PCB để tăng khoảng cách đường rò. Ví dụ, trong mô-đun nguồn của thiết bị laser y tế, phía điện áp cao và phía điện áp thấp được phân tách hoàn toàn bằng các khe cách ly.
Tách mặt đất nguồn và mặt đất tín hiệu: tách biệt vật lý mặt đất nguồn (PGND) mang dòng xung lớn khỏi mặt đất tín hiệu (SGND) đòi hỏi sự yên tĩnh và kết nối chúng tại một điểm duy nhất để tránh nhiễu. Ví dụ, trong mạch thu tín hiệu của màn hình di động, dây nối đất của điốt quang được nối độc lập với nối đất nguồn để giảm nhiễu.
4, triệt tiêu EMI và tối ưu hóa-tần số cao
Trong thiết bị y tế, hoạt động chuyển đổi tần số cao của điốt có thể tạo ra nhiễu điện từ (EMI), ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị hoặc gây nhiễu cho các thiết bị y tế khác. Thiết kế bố cục cần loại bỏ EMI từ các khía cạnh sau:

Giảm thiểu diện tích vòng lặp quan trọng: Thu gọn bố cục của các thành phần vòng lặp chuyển đổi tần số- cao chẳng hạn như điốt, ống chuyển mạch, cuộn cảm/tụ điện lưu trữ năng lượng, v.v. và rút ngắn thời gian định tuyến. Ví dụ, trong mạch Buck/Boost, diode quay tự do được đặt liền kề với bóng bán dẫn chuyển mạch, tạo thành bố cục hình tam giác để giảm diện tích vòng lặp.
Điều khiển tham số ký sinh: Trong các ứng dụng-tần số cao, điện dung ký sinh (Cj) và độ tự cảm (Ls) của điốt có thể gây suy giảm tín hiệu hoặc gây ra tiếng chuông. Nên chọn điốt điện dung thấp (chẳng hạn như điốt Schottky) và giảm hiệu ứng đông đúc hiện tại bằng cách tối ưu hóa hệ thống dây điện (chẳng hạn như góc 45 độ hoặc bo tròn).
Che chắn và lọc: Cách ly mặt đất hoặc định tuyến vi sai được sử dụng cho các đường tín hiệu nhạy cảm (chẳng hạn như I2C, SPI) và các hạt ferit hoặc tụ lọc được thêm vào tại các đầu vào/đầu ra. Ví dụ, trong giao diện truyền thông của máy đo đường huyết cầm tay, điốt TVS được kết hợp với các cuộn cảm chế độ chung để triệt tiêu ESD và gây nhiễu.
5, Bố trí bảo vệ và thiết kế độ tin cậy
Thiết bị y tế cần phải có độ tin cậy cao và bố trí diode cần xem xét các biện pháp bảo vệ như quá áp, quá dòng, ESD, v.v.:

Bảo vệ quá áp: Sử dụng diode Zener hoặc diode TVS ở đầu vào nguồn để kẹp điện áp và ngăn chặn các xung điện áp làm hỏng mạch thứ cấp. Ví dụ, trong mô-đun nguồn của máy tạo oxy di động, diode TVS được kết nối song song ở đầu vào, với thời gian đáp ứng dưới 1ps và có thể chịu được dòng điện tiếp xúc 8kV.
Bảo vệ quá dòng: Dòng điện được giới hạn bởi một điện trở nối tiếp hoặc diode giới hạn dòng điện để ngăn diode bị cháy do quá tải. Ví dụ: trong mạch điều khiển đi-ốt phát quang (LED) phát sáng-, một điện trở hạn chế dòng điện được mắc nối tiếp với đèn LED để đảm bảo rằng dòng điện hoạt động nằm trong phạm vi an toàn.
Bảo vệ ESD: Lắp đặt điốt ESD gần các giao diện dữ liệu (chẳng hạn như cổng USB và Ethernet) và tuân theo nguyên tắc “gần với đầu vào ESD”. Ví dụ, trong giao diện USB của thiết bị siêu âm cầm tay, khoảng cách giữa diode TVS và đầu nối nhỏ hơn 3cm và đầu nối đất được kết nối với mặt phẳng đất thông qua nhiều vias, dẫn đến điện áp kẹp giảm 15V.
6, Tối ưu hóa bố cục cho các tình huống ứng dụng đặc biệt
Đối với các nhu cầu đặc biệt của thiết bị y tế, cách bố trí diode cần được tối ưu hóa hơn nữa:

Thiết kế mạch linh hoạt: Trong các thiết bị y tế có thể đeo như băng thông minh, điốt cần được kết nối thông qua hệ thống dây điện linh hoạt để thích ứng với biến dạng của thiết bị. Ví dụ: điốt phát sáng-được kết nối với đế cảm biến thông qua PCB linh hoạt và ngay cả khi độ dày của băng thay đổi, đèn LED vẫn có thể được bố trí ổn định trên bề mặt để tránh nén vùng bị ảnh hưởng của bệnh nhân.
Thiết kế tiêu thụ điện năng thấp: Trong các thiết bị di động, hãy chọn điốt có dòng điện rò rỉ thấp (chẳng hạn như điốt phục hồi cực nhanh) để giảm mức tiêu thụ điện tĩnh. Ví dụ: trong mạch thu tín hiệu của màn hình điện tâm đồ di động, điốt quang được thiết kế với dòng điện tối thấp và kết hợp với bộ khuếch đại hoạt động có độ nhiễu-thấp để cải thiện tỷ lệ tín hiệu-trên-nhiễu.
Tích hợp mật độ cao: Trong các thiết bị y tế vi mô như cảm biến cấy ghép, điốt đóng gói thu nhỏ (như DFN, SOD-123) được sử dụng để tiết kiệm không gian. Ví dụ, trong mạch quản lý năng lượng của bộ kích thích thần kinh, điốt silicon cacbua được đóng gói trong DFN, giúp giảm 80% diện tích so với bao bì TO-220 truyền thống.