สิ่งที่ควรสังเกตในการออกแบบโครงร่างของไดโอดอุปกรณ์การแพทย์?

1, การระบุขั้วและการออกแบบการป้องกันข้อผิดพลาด
ไดโอดมีค่าการนำไฟฟ้าทิศทางเดียว และการกลับขั้วอาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรหรือทำให้อุปกรณ์ไหม้ได้ ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ ข้อผิดพลาดนี้อาจทำให้อุปกรณ์ขัดข้องและอาจเป็นอันตรายต่อผู้ป่วยได้ ดังนั้นการออกแบบผังจึงต้องปฏิบัติตามหลักการดังต่อไปนี้อย่างเคร่งครัด:

การมาร์กซิลค์สกรีน: ทำเครื่องหมายแคโทด (K) หรืออิเล็กโทรดลบ (-) อย่างชัดเจนรอบๆ ตัวไดโอด โดยทั่วไปจะแสดงด้วยเส้นแนวตั้ง เส้นหนา รอยบาก หรือตัวอักษร "K" ตัวอย่างเช่น ไดโอดยึดบนพื้นผิวสามารถสอดคล้องกับแคโทดผ่านแถบสีหรือร่อง
ความสอดคล้องของบรรจุภัณฑ์: แผ่นบรรจุภัณฑ์ PCB จำเป็นต้องแยกแยะระหว่างแคโทดและแอโนดอย่างชัดเจน โดยทั่วไป แผ่นแคโทดได้รับการออกแบบให้มีรอยบาก มุม หรือรูปทรงพิเศษเพื่อหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดในการเชื่อม
ความสม่ำเสมอของทิศทาง: ไดโอดชนิดเดียวกันควรรักษาทิศทางเดียวกัน (เช่น แคโทดทั้งหมดหันไปทางซ้าย/ขึ้น) เพื่อลดความเสี่ยงของข้อผิดพลาดในการเชื่อม
การออกแบบป้องกันข้อผิดพลาด: สำหรับวงจรวิกฤติหรือสถานการณ์ที่มีแนวโน้มเกิดข้อผิดพลาด สามารถใช้การออกแบบแผ่นไม่สมมาตรเพื่อป้องกันการกลับขั้วเพิ่มเติม
2 การออกแบบการกระจายความร้อนและการจัดการความร้อน
ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ พาวเวอร์ไดโอด (เช่น วงจรเรียงกระแสและท่อแบบหมุนอิสระ) จะสร้างความร้อนจำนวนมากระหว่างการทำงาน การกระจายความร้อนที่ไม่ดีอาจนำไปสู่การสลายความร้อนหรือประสิทธิภาพการทำงานลดลง การออกแบบเลย์เอาต์จำเป็นต้องเพิ่มประสิทธิภาพการกระจายความร้อนจากด้านต่อไปนี้:

การเข้าใกล้แหล่งกระจายความร้อน: วางพาวเวอร์ไดโอดไว้ใกล้กับแผงระบายความร้อนหรือบริเวณฟอยล์ทองแดง และใช้ตัวนำโลหะเพื่อนำความร้อนอย่างรวดเร็ว ตัวอย่างเช่น ในโมดูลพลังงานของอุปกรณ์อัลตราซาวนด์แบบพกพา ไดโอดซิลิคอนคาร์ไบด์จะสัมผัสใกล้ชิดกับแผงระบายความร้อนผ่านแผ่นระบายความร้อนเพื่อลดอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อ
การชุบทองแดงในพื้นที่ขนาดใหญ่: เชื่อมต่อฟอยล์ทองแดงกราวด์พื้นที่ขนาดใหญ่ (ระนาบ GND) หรือฟอยล์ทองแดงกำลังเข้ากับแคโทดและแผ่นแอโนดของไดโอดเพื่อเพิ่มความสามารถในการกระจายความร้อน ตัวอย่างเช่น ในวงจรการตรวจจับอิเล็กโทรดของเครื่องตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจ จะมีการวางฟอยล์ทองแดงหลายชั้นไว้ใต้แผ่นไดโอดควบคุมแรงดันไฟฟ้า และเชื่อมต่อกับชั้นกระจายความร้อนภายในผ่านจุดแวะ
การกระจายความร้อนผ่าน: จัดเรียงการกระจายความร้อนอย่างหนาแน่นผ่านรู (เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.3 มม. ระยะห่าง 0.5-1 มม.) ในบริเวณที่มีฟอยล์ทองแดงขนาดใหญ่เชื่อมต่อกัน ทำให้เกิดเส้นทางต้านทานความร้อนต่ำ ตัวอย่างเช่น ในวงจรแปลงพลังงานของอุปกรณ์เอ็กซเรย์แบบพกพา จะมีการใช้กริดแบบผ่านอาเรย์ด้านล่างไดโอดซิลิคอนคาร์ไบด์ ซึ่งช่วยลดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นได้ถึง 40%
อยู่ห่างจากส่วนประกอบที่ไวต่อความร้อน: หลีกเลี่ยงการวางไดโอดทำความร้อนใกล้กับส่วนประกอบที่ไวต่อความร้อน เช่น ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าและ IC ที่มีความแม่นยำ เพื่อป้องกันประสิทธิภาพลดลงที่เกิดจากความเครียดจากความร้อน
3 ข้อกำหนดด้านการแยกไฟฟ้าและความปลอดภัย
อุปกรณ์ทางการแพทย์ต้องเป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัยทางไฟฟ้าที่เข้มงวด (เช่น IEC 60601-1) และรูปแบบไดโอดต้องรับประกันการแยกระหว่างบริเวณแรงดันไฟฟ้าสูงและต่ำเพื่อป้องกันความเสี่ยงจากไฟฟ้าช็อต

ระยะห่างตามกระแสไฟและระยะห่างทางไฟฟ้า: ควรรักษาระยะห่างที่เหมาะสมระหว่างหมุดของไดโอดแรงดันไฟฟ้าสูง- (เช่น ที่สูงกว่า 600V) และอุปกรณ์/สายไฟแรงสูง-อื่นๆ ตัวอย่างเช่น ในวงจรสร้างแรงดันไฟฟ้าสูง-ของเครื่องกระตุ้นหัวใจด้วยไฟฟ้า ระยะห่างตามผิวฉนวนอย่างน้อย 2 มม. ถูกกำหนดไว้ระหว่างไดโอดและตัวเก็บประจุ และความแข็งแรงของฉนวนจะเพิ่มขึ้นโดยการเปิดหน้าต่าง
ร่องและหน้าต่างแยก: ระหว่างพื้นที่ไฟฟ้าแรงสูงและต่ำ หน้าต่างสามารถเปิดได้ภายใต้ชั้นหน้ากากประสาน (พื้นที่ปลอดทองแดง) และแม้แต่ช่องสามารถทำบน PCB เพื่อเพิ่มระยะห่างตามผิวฉนวน ตัวอย่างเช่น ในโมดูลพลังงานของอุปกรณ์เลเซอร์ทางการแพทย์ ด้านไฟฟ้าแรงสูงและด้านไฟฟ้าแรงต่ำจะถูกแยกออกจากกันโดยสิ้นเชิงด้วยช่องแยก
การแยกกราวด์กราวด์และกราวด์สัญญาณ: แยกกราวด์กราวด์ (PGND) ทางกายภาพโดยนำกระแสพัลส์ขนาดใหญ่ออกจากกราวด์สัญญาณ (SGND) ที่ต้องการความเงียบ และเชื่อมต่อที่จุดเดียวเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวน ตัวอย่างเช่น ในวงจรการรับสัญญาณของจอภาพแบบพกพา สายกราวด์ของโฟโตไดโอดจะถูกต่อสายอย่างอิสระจากกราวด์กำลังเพื่อลดการมีเพศสัมพันธ์ของสัญญาณรบกวน
4, การปราบปราม EMI และการเพิ่มประสิทธิภาพความถี่สูง-
ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ การสลับความถี่สูง-ของไดโอดอาจทำให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์หรือการรบกวนอุปกรณ์ทางการแพทย์อื่นๆ การออกแบบเลย์เอาต์จำเป็นต้องระงับ EMI จากด้านต่อไปนี้:

ลดพื้นที่ลูปวิกฤตให้เหลือน้อยที่สุด: กระชับโครงร่างของส่วนประกอบลูปสวิตชิ่งความถี่สูง- เช่น ไดโอด ท่อสวิตชิ่ง ตัวเหนี่ยวนำ/ตัวเก็บประจุที่เก็บพลังงาน ฯลฯ และลดความยาวเส้นทางให้สั้นลง ตัวอย่างเช่น ในวงจรบั๊ก/บูสต์ ไดโอดอิสระจะถูกวางไว้ติดกับทรานซิสเตอร์สวิตชิ่ง ทำให้เกิดรูปแบบสามเหลี่ยมเพื่อลดพื้นที่ลูป
การควบคุมพารามิเตอร์ปรสิต: ในการใช้งานความถี่สูง- ความจุของปรสิต (Cj) และความเหนี่ยวนำ (Ls) ของไดโอดอาจทำให้เกิดการลดทอนสัญญาณหรือเสียงกริ่ง ควรเลือกไดโอดความจุต่ำ (เช่น ไดโอด Schottky) และควรลดผลกระทบจากฝูงชนในปัจจุบันโดยการปรับการเดินสายให้เหมาะสม (เช่น 45 องศาหรือมุมโค้งมน)
การป้องกันและการกรอง: การแยกกราวด์หรือการกำหนดเส้นทางดิฟเฟอเรนเชียลใช้สำหรับสายสัญญาณที่มีความละเอียดอ่อน (เช่น I2C, SPI) และมีการเพิ่มเม็ดเฟอร์ไรต์หรือตัวเก็บประจุกรองที่เทอร์มินัลอินพุต/เอาต์พุต ตัวอย่างเช่น ในอินเทอร์เฟซการสื่อสารของเครื่องวัดระดับน้ำตาลในเลือดแบบพกพา ไดโอด TVS จะถูกรวมเข้ากับตัวเหนี่ยวนำโหมดทั่วไปเพื่อระงับ ESD และทำการรบกวน
5 รูปแบบการป้องกันและการออกแบบความน่าเชื่อถือ
อุปกรณ์ทางการแพทย์ต้องมีความน่าเชื่อถือสูง และรูปแบบไดโอดควรพิจารณาถึงมาตรการป้องกัน เช่น แรงดันไฟเกิน กระแสไฟเกิน ESD ฯลฯ:

การป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกิน: ใช้ซีเนอร์ไดโอดหรือไดโอด TVS ที่อินพุตกำลังไฟเพื่อยึดแรงดันไฟฟ้าและป้องกันไม่ให้แรงดันไฟพุ่งสูงสร้างความเสียหายให้กับวงจรทุติยภูมิ ตัวอย่างเช่น ในโมดูลจ่ายไฟของหัวออกซิเจนแบบพกพา ไดโอด TVS เชื่อมต่อแบบขนานที่ปลายอินพุต โดยมีเวลาตอบสนองน้อยกว่า 1ps และสามารถทนต่อการปล่อยประจุจากการสัมผัส 8kV
การป้องกันกระแสเกิน: กระแสไฟฟ้าถูกจำกัดโดยตัวต้านทานแบบอนุกรมหรือไดโอดจำกัดกระแส เพื่อป้องกันไม่ให้ไดโอดไหม้เนื่องจากการโอเวอร์โหลด ตัวอย่างเช่น ในวงจรขับไดโอดเปล่งแสง (LED) - ตัวต้านทานจำกัดกระแสจะเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับ LED เพื่อให้แน่ใจว่ากระแสไฟที่ใช้งานอยู่ในช่วงที่ปลอดภัย
การป้องกัน ESD: ติดตั้งไดโอด ESD ใกล้กับอินเทอร์เฟซข้อมูล (เช่น พอร์ต USB และอีเทอร์เน็ต) และปฏิบัติตามหลักการ "ใกล้กับทางเข้า ESD" ตัวอย่างเช่น ในอินเทอร์เฟซ USB ของอุปกรณ์อัลตราซาวนด์แบบพกพา ระยะห่างระหว่างไดโอด TVS และขั้วต่อน้อยกว่า 3 ซม. และขั้วต่อกราวด์เชื่อมต่อกับระนาบกราวด์ผ่านจุดผ่านหลายจุด ส่งผลให้แรงดันแคลมป์ลดลง 15V
6 การเพิ่มประสิทธิภาพเค้าโครงสำหรับสถานการณ์การใช้งานพิเศษ
สำหรับความต้องการพิเศษของอุปกรณ์ทางการแพทย์ เค้าโครงไดโอดจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติม:

การออกแบบวงจรที่ยืดหยุ่น: ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่สวมใส่ได้ เช่น อุปกรณ์ตกแต่งอัจฉริยะ ไดโอดจำเป็นต้องเชื่อมต่อผ่านสายไฟที่ยืดหยุ่นเพื่อปรับให้เข้ากับการเสียรูปของอุปกรณ์ ตัวอย่างเช่น -ไดโอดเปล่งแสงเชื่อมต่อกับซับสเตรตของเซ็นเซอร์ผ่าน PCB ที่ยืดหยุ่น และแม้ว่าความหนาของการตกแต่งจะเปลี่ยนไป แต่ LED ก็ยังคงสามารถจัดวางบนพื้นผิวได้อย่างมั่นคงเพื่อหลีกเลี่ยงการกดทับบริเวณที่ได้รับผลกระทบของผู้ป่วย
การออกแบบที่ใช้พลังงานต่ำ: ในอุปกรณ์พกพา ให้เลือกไดโอดที่มีกระแสรั่วไหลต่ำ (เช่น ไดโอดกู้คืนที่เร็วเป็นพิเศษ) เพื่อลดการใช้พลังงานคงที่ ตัวอย่างเช่น ในวงจรเก็บสัญญาณของเครื่องตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจแบบพกพา โฟโตไดโอดได้รับการออกแบบให้มีกระแสมืดต่ำและจับคู่กับ-เครื่องขยายสัญญาณเสียงรบกวนต่ำเพื่อปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณ-ต่อ-สัญญาณรบกวน
การบูรณาการที่มีความหนาแน่นสูง: ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ขนาดเล็ก เช่น เซ็นเซอร์แบบฝัง ไดโอดแบบบรรจุขนาดย่อส่วน (เช่น DFN, SOD-123) จะถูกนำมาใช้เพื่อประหยัดพื้นที่ ตัวอย่างเช่น ในวงจรการจัดการพลังงานของเครื่องกระตุ้นประสาท ไดโอดซิลิคอนคาร์ไบด์จะถูกบรรจุใน DFN ซึ่งช่วยลดพื้นที่ลง 80% เมื่อเทียบกับบรรจุภัณฑ์ TO-220 แบบเดิม