מה יש לשים לב בתכנון הפריסה של דיודות מכשור רפואי?

1, עיצוב זיהוי קוטביות ומניעת שגיאות
לדיודה מוליכות חד-כיוונית, והיפוך הקוטביות שלה עלול לגרום לקצר חשמלי או לשרוף את המכשיר. בציוד רפואי, שגיאה זו עלולה לגרום לכשל בציוד ואף לפגיעה בחולים. לכן, עיצוב הפריסה חייב לפעול לפי העקרונות הבאים:

סימון משי: סמן בבירור את הקתודה (K) או האלקטרודה השלילית (-) מסביב לגוף הדיודה, המיוצג בדרך כלל על ידי קווים אנכיים, קווים עבים, סימוני חריצים או האות "K". לדוגמה, דיודות להתקנה על פני השטח יכולות להתאים לקתודות דרך פסי צבע או חריצים.
התכתבות אריזה: יש להבחין בבירור בין רפידות אריזות PCB בין קתודה לאנודה. בדרך כלל, רפידות קתודה מעוצבות עם חריצים, פינות או צורות מיוחדות כדי למנוע שגיאות ריתוך.
אחידות כיוון: אותו סוג דיודה צריך לשמור על אותו כיוון (כגון כל הקתודות הפונות שמאלה/למעלה) כדי להפחית את הסיכון לשגיאות ריתוך.
עיצוב נגד טעויות: עבור מעגלים קריטיים או מצבים מועדים לשגיאות, ניתן להשתמש בעיצוב רפידות א-סימטריות כדי למנוע עוד יותר היפוך קוטביות.
2, עיצוב פיזור חום וניהול תרמי
בציוד רפואי, דיודות כוח (כגון מיישרים וצינורות גלגלים חופשיים) מייצרות חום משמעותי במהלך הפעולה. פיזור חום לקוי עלול להוביל להתמוטטות תרמית או לפגיעה בביצועים. עיצוב הפריסה צריך לייעל את פיזור החום מההיבטים הבאים:

התקרבות למקור פיזור החום: הנח את דיודת החשמל ליד אזור גוף הקירור או נייר הנחושת, והשתמש במוליכי מתכת כדי להוליך חום במהירות. לדוגמה, במודול הכוח של מכשירי אולטרסאונד ניידים, דיודות סיליקון קרביד נמצאות במגע הדוק עם גוף הקירור דרך רפידות תרמיות כדי להפחית את טמפרטורת הצומת.
ציפוי נחושת בשטח גדול: חבר שטח גדול של רדיד נחושת טחון (GND Plane) או רדיד נחושת כוח לקתודה ולאנודה של הדיודה כדי לשפר את יכולת פיזור החום. לדוגמה, במעגל זיהוי האלקטרודות של אלקטרוקרדיוגרף, שכבות מרובות של רדיד נחושת מונחות מתחת לכרית הדיודה של ווסת המתח ומחוברות לשכבת פיזור החום הפנימית דרך דרך.
פיזור חום דרך: ארגן בצפיפות את פיזור החום דרך חורים (קוטר 0.3 מ"מ, מרווח 0.5-1 מ"מ) באזור שבו מחוברים רדיד נחושת גדול, ויוצרים נתיב התנגדות תרמית נמוכה. לדוגמה, במעגל המרת הכוח של ציוד רנטגן נייד, רשת כמו מערך דרך משמשת מתחת לדיודת הסיליקון קרביד, ומפחיתה את עליית הטמפרטורה ב-40%.
התרחק ממרכיבים רגישים לחום: הימנע מהצבת דיודות חימום בסמיכות לרכיבים רגישים לחום כגון קבלים אלקטרוליטיים ו-IC מדויק כדי למנוע פגיעה בביצועים הנגרמת על ידי מתח תרמי.
3, בידוד חשמלי ודרישות תקנות בטיחות
ציוד רפואי חייב לעמוד בתקני בטיחות חשמליים מחמירים (כגון IEC 60601-1), ועל פריסת הדיודה להבטיח בידוד בין אזורי מתח גבוה ונמוך כדי למנוע את הסיכון להתחשמלות

מרחק זחילה ומרווח חשמלי: יש לשמור על מרווח הולם בין הפינים של דיודות-מתח גבוה (כגון אלו שמעל 600V) לבין התקנים/חיווט-במתח גבוה אחרים. לדוגמה, במעגל ייצור המתח הגבוה- של דפיברילטור, נקבע מרחק זחילה של לפחות 2 מ"מ בין הדיודה והקבל, וחוזק הבידוד גדל על ידי פתיחת חלונות.
חריץ בידוד וחלון: בין אזורי מתח גבוה לנמוך, ניתן לפתוח חלונות מתחת לשכבת מסכת ההלחמה (אזור פנוי מנחושת), ואפילו ניתן ליצור חריצים על ה-PCB כדי להגדיל את מרחק הזחילה. לדוגמה, במודול הכוח של ציוד לייזר רפואי, צד המתח הגבוה וצד המתח הנמוך מופרדים לחלוטין על ידי חריצי בידוד.
הפרדת הספק והארקת אות: הפרד פיזית את הארקת הכוח (PGND) הנושאת זרמי פולסים גדולים מהארקת האות (SGND) הדורשת שקט, וחבר אותם בנקודה אחת כדי למנוע הפרעות. לדוגמה, במעגל רכישת האותות של צג נייד, חוט ההארקה של הפוטודיודה מחווט באופן עצמאי מהארקת החשמל כדי להפחית את צימוד הרעש.
4, דיכוי EMI ואופטימיזציה של-תדר גבוה
בציוד רפואי, פעולת מיתוג התדר הגבוה- של דיודות עשויה ליצור הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), להשפיע על ביצועי הציוד או להפריע למכשירים רפואיים אחרים. עיצוב הפריסה צריך לדכא EMI מההיבטים הבאים:

צמצם למינימום אזור לולאה קריטי: דחס את הפריסה של רכיבי לולאת מיתוג-גבוהים כגון דיודות, צינורות מיתוג, משרנים/קבלים לאחסון אנרגיה וכו', וקצר את אורך הניתוב. לדוגמה, במעגלי Buck/Boost, הדיודה החופשית ממוקמת בסמוך לטרנזיסטור המיתוג, ויוצרת פריסה משולשת להקטנת שטח הלולאה.
בקרת פרמטרים טפיליים: ביישומי-תדר גבוה, הקיבול הטפילי (Cj) וההשראות (Ls) של דיודות עלולים לגרום להנחתה או לצלצול האות. יש לבחור דיודות קיבוליות נמוכות (כגון דיודות Schottky), ולהפחית את השפעות הצפיפות הנוכחיות על ידי אופטימיזציה של החיווט (כגון 45 מעלות או פינות מעוגלות).
מיגון וסינון: בידוד קרקע או ניתוב דיפרנציאלי משמש לקווי אות רגישים (כגון I2C, SPI), ומוסיפים חרוזי פריט או קבלי סינון במסופי הקלט/פלט. לדוגמה, בממשק התקשורת של מדי סוכר ניידים בדם, דיודות TVS משולבות עם משרני מצב נפוץ כדי לדכא ESD והפרעות מוליכות.
5, פריסת הגנה ועיצוב אמינות
ציוד רפואי צריך להיות בעל אמינות גבוהה, ופריסה של דיודה צריכה לשקול אמצעי הגנה כגון מתח יתר, זרם יתר, ESD וכו':

הגנת מתח יתר: השתמש בדיודה זנר או דיודת TVS בכניסת המתח כדי ללחוץ את המתח ולמנוע קפיצות מתח מפגיעה במעגל המשני. לדוגמה, במודול הכוח של רכז חמצן נייד, דיודת ה-TVS מחוברת במקביל בקצה הקלט, עם זמן תגובה של פחות מ-1ps, ויכולה לעמוד בפריקת מגע של 8kV.
הגנת זרם יתר: הזרם מוגבל על ידי נגד סדרתי או דיודה מגבילת זרם כדי למנוע מהדיודה להישרף עקב עומס יתר. לדוגמה, במעגל דרייבר של דיודה פולטת אור-(LED), נגד מגביל זרם מחובר בסדרה עם הנורית כדי להבטיח שזרם הפעולה נמצא בטווח בטוח.
הגנת ESD: התקן דיודות ESD ליד ממשקי נתונים (כגון יציאות USB ו-Ethernet) ופעל לפי העיקרון של "קרוב לכניסת ESD". לדוגמה, בממשק ה-USB של מכשירי אולטרסאונד ניידים, המרחק בין דיודת ה-TVS למחבר הוא פחות מ-3 ס"מ, ומסוף ההארקה מחובר למישור ההארקה באמצעות חיבורים מרובים, וכתוצאה מכך ירידה של 15V במתח ההידוק.
6, אופטימיזציה של פריסה עבור תרחישי יישומים מיוחדים
לצרכים המיוחדים של ציוד רפואי, יש לבצע אופטימיזציה נוספת של פריסת הדיודה:

עיצוב מעגל גמיש: במכשירים רפואיים לבישים כגון חבישות חכמות, דיודות צריכות להיות מחוברות באמצעות חיווט מתח גמיש כדי להתאים את עצמן לעיוות המכשיר. לדוגמה, דיודות פולטות -אור מחוברות למצעי חיישנים באמצעות PCB גמישים, וגם אם עובי החבישה משתנה, נוריות ה-LED עדיין יכולות להיות מסודרות ביציבות על פני השטח כדי למנוע דחיסת האזור הפגוע של המטופל.
עיצוב בהספק נמוך: במכשירים ניידים, בחר דיודות זרם דליפה נמוך (כגון דיודות התאוששות מהירה במיוחד) כדי להפחית את צריכת החשמל הסטטית. לדוגמה, במעגל רכישת האותות של צגי אלקטרוקרדיוגרמה ניידים, פוטו-דיודות מתוכננות עם זרם כהה נמוך ומזווגות עם מגברים תפעוליים-נמוכים כדי לשפר את יחס האות-ל-רעש.
אינטגרציה בצפיפות גבוהה: במכשירים מיקרו רפואיים כגון חיישנים ניתנים להשתלה, נעשה שימוש בדיודות ארוזות ממוזערות (כגון DFN, SOD-123) כדי לחסוך במקום. לדוגמה, במעגל ניהול ההספק של ממריצים עצביים, דיודות סיליקון קרביד ארוזות ב-DFN, מה שמקטין את השטח ב-80% בהשוואה לאריזות TO-220 מסורתיות.