便攜式手持醫(yī)療設(shè)備無(wú)論在醫(yī)療機(jī)構(gòu)還是在病人家中，均能改善病患護(hù)理情況。對(duì)電子電路保護(hù)器件的正確使用是醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)中一個(gè)重要部分，以確?？煽啃院桶踩?。
電路保護(hù)是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)元素
便攜式醫(yī)療儀器，如血糖儀、血壓計(jì)以及氧氣測(cè)量?jī)x，可以設(shè)計(jì)成具有通信功能，以在病患和幾乎處在任何位置的照顧者之間提供持續(xù)的溝通功能。這將有希望以較低成本實(shí)現(xiàn)病患護(hù)理的改善，但卻需要設(shè)備設(shè)計(jì)人員在他們的電路設(shè)計(jì)以及元件選擇上更加密切關(guān)注可靠性和安全性問(wèn)題。
過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)元件的使用便是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素。必須要考慮的主要子系統(tǒng)包括通信接口、直流輸入/充電電路、電池組、傳感器、液晶顯示器、鍵盤和按鈕。
圖1是一種通用的手持式儀器的簡(jiǎn)化電路圖。綠色的文本框指示的是可能受到過(guò)電壓或過(guò)電流條件的電路。本文的余下部分將對(duì)電氣威脅和典型的解決方案進(jìn)行介紹。
由于該產(chǎn)品將會(huì)被用戶頻繁地手持使用，主要的電氣威脅是靜電放電，在用戶走過(guò)地毯時(shí)會(huì)輕易地產(chǎn)生。靜電放電(ESD)能向內(nèi)電路系統(tǒng)傳遞過(guò)高的電壓和電流。
幸運(yùn)的是，要解決過(guò)電壓(靜電放電和雷擊浪涌)和過(guò)電流(短路和過(guò)載)情況有多種電路保護(hù)器件可用。例如，在通常用來(lái)為電池充電的USB端口上添加自復(fù)式正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器可以在便攜式儀器上提供過(guò)載電流保護(hù)。這些器件能在過(guò)載發(fā)生時(shí)對(duì)電流進(jìn)行限制，然后在過(guò)載情況消失之后“復(fù)位”至低電阻值。這消除了不得不更換保險(xiǎn)絲所帶來(lái)的不便。
對(duì)于過(guò)電壓保護(hù)，手持式設(shè)備不會(huì)被直接連接到交流電網(wǎng)，所以它將最有可能遇到低水平(殘余)浪涌事件和靜電放電沖擊。對(duì)于這些事件，使用節(jié)省空間的基于半導(dǎo)體技術(shù)的器件是有可能的。這些離散的和陣列式二極管提供低鉗位電壓和不同的形狀因數(shù)，以為保護(hù)提供多種設(shè)計(jì)選擇方案。這種低的鉗位電壓是基于半導(dǎo)體的保護(hù)的一個(gè)重要特征，因?yàn)樗沟脤?duì)當(dāng)今尖端的且易于損壞的芯片組的保護(hù)成為可能。
電路保護(hù)方案舉例
通信接口保護(hù)是一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的問(wèn)題，特別是對(duì)那些努力滿足康體佳健康聯(lián)盟對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的互連指引的儀器制造商而言。2008年出版的康體佳第一版標(biāo)準(zhǔn)定義了為家庭保健儀器與照顧者聯(lián)系起來(lái)而起到無(wú)線和有線傳輸?shù)乃{(lán)牙和USB的特定版本。下面提供了一些實(shí)例，以說(shuō)明對(duì)這些保護(hù)器件是如何應(yīng)用的。
如圖1所示，一個(gè)手持式儀器的無(wú)線(射頻)接口可能受到通過(guò)其天線而引發(fā)的靜電放電浪涌的危害。圖2中的電路說(shuō)明了一種基于半導(dǎo)體技術(shù)的靜電放電解決方案，能保護(hù)藍(lán)牙電路的射頻放大器輸入模塊免受靜電放電威脅。這種保護(hù)器件是一個(gè)0.5pF(以保持信號(hào)的完整性)分立二極管，能提供低鉗位電壓以保護(hù)敏感的射頻前端。
儀器的傳感器輸入(例如，從血糖儀的血條到控制器集成電路)是用戶和測(cè)量電路之間的接口。這種輸入同樣使得該儀器易于發(fā)生靜電放電損壞，因?yàn)樵搨鞲衅鞅贿B接到或以某種方式與用戶接觸。如圖3所示，分立二極管能在這種電路中加以使用(在該例中顯示了四條線路)。這些器件已經(jīng)顯示出具有較低鉗位電壓、以及非常低的泄漏電流(<100nA)，且能確保傳感器電路接收到足夠的信號(hào)以做出準(zhǔn)確的測(cè)量。
便攜式醫(yī)療設(shè)備的USB端口可能被用作為內(nèi)置電池組充電的電源，還可以用以與照顧者之間的數(shù)據(jù)交換。該端口可以成為靜電放電以及過(guò)載電流的入口通道。如圖4所示，一種技術(shù)組合可以提供一套完整的電路保護(hù)解決方案。首先，為了防范過(guò)電流條件，使用了一個(gè)自復(fù)式PTC器件。在這種情況下，選擇了具有非常低電阻且節(jié)省空間(0805封裝)的器件。這個(gè)特性會(huì)確保在為設(shè)備充電時(shí)將浪費(fèi)的功率損耗和電壓降被減少到最低。其次，可保護(hù)電源端口和I/0線路免受靜電放電。圖4顯示了保護(hù)所有三組線路的一個(gè)陣列，且具有足夠低的電容值，以確保在高速(480Mbps)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。
在醫(yī)療設(shè)備的日常使用中，用戶會(huì)平凡接觸到通斷開關(guān)和其他各種按鈕。如圖5所示，這些控件可以用0201封裝的空間效率型二極管進(jìn)行保護(hù)。這些二極管具有非常強(qiáng)大的防止靜電放電性能(高達(dá)30kV接觸放電)，它們較小的外形尺寸使它們能夠很容易地納入到電路板的設(shè)計(jì)中。分立式的行使因數(shù)還為電路板設(shè)計(jì)人員提供了很大的布局靈活性。
正如前面所舉例子表明，便攜式醫(yī)療設(shè)備在其整個(gè)使用壽命中受到各種電氣威脅。在電路板設(shè)計(jì)的早期階段記住最優(yōu)化的保護(hù)選擇(器件、外形尺寸、位置等)是非常重要的。良好的保護(hù)設(shè)計(jì)將有助于確保在產(chǎn)品使用壽命期間的可靠性。
