Que faut-il noter lors de la conception de la disposition des diodes des dispositifs médicaux ?

1, identification de polarité et conception de prévention des erreurs
Une diode a une conductivité unidirectionnelle et inverser sa polarité peut provoquer un court-circuit ou griller l'appareil. Dans le domaine médical, cette erreur peut entraîner une panne de l’équipement et même nuire aux patients. Par conséquent, la conception de l’aménagement doit suivre strictement les principes suivants :

Marquage sérigraphié : marquez clairement la cathode (K) ou l'électrode négative (-) autour du corps de la diode, généralement représentée par des lignes verticales, des lignes épaisses, des encoches ou la lettre "K". Par exemple, les diodes à montage en surface peuvent correspondre aux cathodes via des bandes de couleur ou des rainures.
Correspondance d'emballage : les tampons d'emballage PCB doivent être clairement distingués entre cathode et anode. En règle générale, les tampons cathodiques sont conçus avec des encoches, des coins ou des formes spéciales pour éviter les erreurs de soudage.
Uniformité de la direction : le même type de diode doit conserver la même direction (comme toutes les cathodes orientées vers la gauche/le haut) pour réduire le risque d'erreurs de soudage.
Conception anti-erreur : pour les circuits critiques ou les situations sujettes aux erreurs, la conception asymétrique des plots peut être utilisée pour empêcher davantage l'inversion de polarité.
2, conception de dissipation thermique et gestion thermique
Dans les équipements médicaux, les diodes de puissance (telles que les redresseurs et les tubes de roue libre) génèrent une chaleur importante pendant leur fonctionnement. Une mauvaise dissipation thermique peut entraîner une panne thermique ou une dégradation des performances. La conception de l’aménagement doit optimiser la dissipation thermique sous les aspects suivants :

Approche de la source de dissipation thermique : placez la diode de puissance près du dissipateur thermique ou de la zone de la feuille de cuivre et utilisez des conducteurs métalliques pour conduire rapidement la chaleur. Par exemple, dans le module d'alimentation des appareils à ultrasons portables, les diodes en carbure de silicium sont en contact étroit avec le dissipateur thermique via des coussinets thermiques pour réduire la température de jonction.
Placage de cuivre sur une grande surface : connectez une grande surface de feuille de cuivre mise à la terre (plan GND) ou de feuille de cuivre d'alimentation aux plots de cathode et d'anode de la diode pour améliorer la capacité de dissipation thermique. Par exemple, dans le circuit de détection d'électrode d'un électrocardiographe, plusieurs couches de feuille de cuivre sont posées sous la diode du régulateur de tension et connectées à la couche interne de dissipation thermique via des vias.
Dissipation thermique via : disposez de manière dense la dissipation thermique via des trous (diamètre 0,3 mm, espacement 0,5-1 mm) dans la zone où les grandes feuilles de cuivre sont connectées, formant un chemin à faible résistance thermique. Par exemple, dans le circuit de conversion de puissance d'un équipement portable à rayons X, une grille de type via array est utilisée sous la diode en carbure de silicium, réduisant ainsi l'augmentation de température de 40 %.
Éloignez-vous des composants sensibles à la chaleur : évitez de placer les diodes chauffantes à proximité immédiate de composants sensibles à la chaleur, tels que les condensateurs électrolytiques et les circuits intégrés de précision, afin d'éviter toute dégradation des performances causée par le stress thermique.
3, exigences en matière d'isolation électrique et de sécurité
Les équipements médicaux doivent répondre à des normes strictes de sécurité électrique (telles que CEI 60601-1) et la disposition des diodes doit garantir une isolation entre les zones haute et basse tension pour éviter tout risque de choc électrique.

Distance de fuite et dégagement électrique : un espacement adéquat doit être maintenu entre les broches des diodes haute -tension (telles que celles supérieures à 600 V) et d'autres appareils/câblage haute-tension. Par exemple, dans le circuit de génération haute tension d'un défibrillateur, une ligne de fuite d'au moins 2 mm est définie entre la diode et le condensateur, et la résistance de l'isolation est augmentée en ouvrant les fenêtres.
Rainure et fenêtre d'isolation : entre les zones haute et basse tension, des fenêtres peuvent être ouvertes sous la couche de masque de soudure (zone sans cuivre), et même des fentes peuvent être pratiquées sur le PCB pour augmenter la ligne de fuite. Par exemple, dans le module d'alimentation d'un équipement laser médical, le côté haute tension et le côté basse tension sont complètement séparés par des fentes d'isolation.
Séparation de la masse d'alimentation et de la masse du signal : séparez physiquement la masse d'alimentation (PGND) transportant de grands courants d'impulsion de la masse du signal (SGND) qui nécessite du silence, et connectez-les en un seul point pour éviter les interférences. Par exemple, dans le circuit d'acquisition de signal d'un moniteur portable, le fil de terre de la photodiode est câblé indépendamment de la terre d'alimentation pour réduire le couplage du bruit.
4, suppression EMI et optimisation des hautes-fréquences
Dans les équipements médicaux, l'action de commutation à haute fréquence-des diodes peut générer des interférences électromagnétiques (EMI), affectant les performances de l'équipement ou interférant avec d'autres appareils médicaux. La conception de la configuration doit supprimer les EMI sous les aspects suivants :

Réduisez la zone de boucle critique : compactez la disposition des composants de boucle de commutation haute fréquence-tels que les diodes, les tubes de commutation, les inductances/condensateurs de stockage d'énergie, etc., et raccourcissez la longueur de routage. Par exemple, dans les circuits Buck/Boost, la diode de roue libre est placée à côté du transistor de commutation, formant une disposition triangulaire pour réduire la surface de boucle.
Contrôle des paramètres parasites : dans les applications à haute fréquence-, la capacité (Cj) et l'inductance (Ls) parasites des diodes peuvent provoquer une atténuation ou une sonnerie du signal. Des diodes à faible capacité (telles que les diodes Schottky) doivent être sélectionnées et les effets d'encombrement de courant doivent être réduits en optimisant le câblage (comme les coins à 45 degrés ou arrondis).
Blindage et filtrage : une isolation de terre ou un routage différentiel est utilisé pour les lignes de signaux sensibles (telles que I2C, SPI), et des billes de ferrite ou des condensateurs de filtrage sont ajoutés aux bornes d'entrée/sortie. Par exemple, dans l’interface de communication des glucomètres portables, les diodes TVS sont combinées avec des inducteurs de mode commun pour supprimer les ESD et les interférences conduites.
5, disposition de protection et conception de fiabilité
L'équipement médical doit avoir une grande fiabilité et la disposition des diodes doit prendre en compte des mesures de protection telles que les surtensions, les surintensités, les décharges électrostatiques, etc. :

Protection contre les surtensions : utilisez une diode Zener ou une diode TVS à l'entrée d'alimentation pour fixer la tension et empêcher les pointes de tension d'endommager le circuit secondaire. Par exemple, dans le module d'alimentation d'un concentrateur d'oxygène portable, la diode TVS est connectée en parallèle à l'extrémité d'entrée, avec un temps de réponse inférieur à 1 ps, et peut résister à une décharge de contact de 8 kV.
Protection contre les surintensités : le courant est limité par une résistance série ou une diode de limitation de courant pour empêcher la diode de griller en raison d'une surcharge. Par exemple, dans un circuit pilote de diode électroluminescente (LED), une résistance de limitation de courant est connectée en série avec la LED pour garantir que le courant de fonctionnement se situe dans une plage sûre.
Protection ESD : installez des diodes ESD à proximité des interfaces de données (telles que les ports USB et Ethernet) et suivez le principe de « près de l'entrée ESD ». Par exemple, dans l'interface USB des appareils à ultrasons portables, la distance entre la diode TVS et le connecteur est inférieure à 3 cm, et la borne de terre est connectée au plan de masse via plusieurs vias, ce qui entraîne une diminution de 15 V de la tension de serrage.
6, Optimisation de la mise en page pour des scénarios d'application spéciaux
Pour les besoins particuliers des équipements médicaux, la disposition des diodes doit être encore optimisée :

Conception de circuit flexible : dans les dispositifs médicaux portables tels que les pansements intelligents, les diodes doivent être connectées via un câblage d'alimentation flexible pour s'adapter à la déformation du dispositif. Par exemple, les diodes électroluminescentes-sont connectées aux substrats des capteurs via des PCB flexibles, et même si l'épaisseur du pansement change, les LED peuvent toujours être disposées de manière stable sur la surface pour éviter de comprimer la zone affectée du patient.
Conception à faible consommation : dans les appareils portables, choisissez des diodes à faible courant de fuite (telles que les diodes à récupération ultrarapide) pour réduire la consommation d'énergie statique. Par exemple, dans le circuit d'acquisition de signal des moniteurs d'électrocardiogramme portables, les photodiodes sont conçues avec un faible courant d'obscurité et associées à des amplificateurs opérationnels à faible-bruit pour améliorer le rapport signal-sur-bruit.
Intégration haute densité : dans les micro-dispositifs médicaux tels que les capteurs implantables, des diodes miniaturisées (telles que DFN, SOD-123) sont utilisées pour économiser de l'espace. Par exemple, dans le circuit de gestion de l'énergie des stimulateurs neuronaux, les diodes en carbure de silicium sont emballées dans du DFN, ce qui réduit la surface de 80 % par rapport au boîtier TO-220 traditionnel.