¿Qué se debe tener en cuenta en el diseño de diodos para dispositivos médicos?

1, diseño de identificación de polaridad y prevención de errores.
Un diodo tiene conductividad unidireccional y invertir su polaridad puede provocar un cortocircuito o quemar el dispositivo. En equipos médicos, este error puede provocar fallos en el equipo e incluso daños a los pacientes. Por tanto, el diseño del trazado debe seguir estrictamente los siguientes principios:

Marcado de serigrafía: marque claramente el cátodo (K) o el electrodo negativo (-) alrededor del cuerpo del diodo, comúnmente representado por líneas verticales, líneas gruesas, marcas de muescas o la letra "K". Por ejemplo, los diodos de montaje superficial pueden corresponder a cátodos a través de bandas o ranuras de color.
Correspondencia del embalaje: las almohadillas de embalaje de PCB deben distinguirse claramente entre cátodo y ánodo. Normalmente, las almohadillas catódicas están diseñadas con muescas, esquinas o formas especiales para evitar errores de soldadura.
Uniformidad de dirección: el mismo tipo de diodo debe mantener la misma dirección (como que todos los cátodos miren hacia la izquierda/arriba) para reducir el riesgo de errores de soldadura.
Diseño antierror: para circuitos críticos o situaciones propensas a errores, se puede utilizar un diseño de almohadilla asimétrica para evitar aún más la inversión de polaridad.
2, diseño de disipación de calor y gestión térmica.
En los equipos médicos, los diodos de potencia (como rectificadores y tubos de rueda libre) generan una cantidad significativa de calor durante el funcionamiento. Una mala disipación de calor puede provocar una rotura térmica o una degradación del rendimiento. El diseño de distribución debe optimizar la disipación de calor desde los siguientes aspectos:

Acercándose a la fuente de disipación de calor: coloque el diodo de potencia cerca del disipador de calor o del área de la lámina de cobre y use conductores metálicos para conducir el calor rápidamente. Por ejemplo, en el módulo de potencia de los dispositivos de ultrasonido portátiles, los diodos de carburo de silicio están en estrecho contacto con el disipador de calor a través de almohadillas térmicas para reducir la temperatura de la unión.
Recubrimiento de cobre de área grande: conecte un área grande de lámina de cobre a tierra (plano GND) o lámina de cobre de potencia a las almohadillas del cátodo y del ánodo del diodo para mejorar la capacidad de disipación de calor. Por ejemplo, en el circuito de detección de electrodos de un electrocardiógrafo, se colocan múltiples capas de lámina de cobre debajo de la almohadilla del diodo regulador de voltaje y se conectan a la capa interna de disipación de calor a través de vías.
Disipación de calor mediante: disponga densamente la disipación de calor mediante orificios (diámetro de 0,3 mm, espaciado de 0,5-1 mm) en el área donde se conectan grandes láminas de cobre, formando un camino de baja resistencia térmica. Por ejemplo, en el circuito de conversión de energía de un equipo portátil de rayos X, se utiliza una matriz tipo rejilla debajo del diodo de carburo de silicio, lo que reduce el aumento de temperatura en un 40%.
Manténgase alejado de los componentes sensibles al calor: evite colocar diodos calefactores muy cerca de componentes sensibles al calor, como condensadores electrolíticos y circuitos integrados de precisión, para evitar la degradación del rendimiento causada por el estrés térmico.
3, requisitos de normas de seguridad y aislamiento eléctrico.
Los equipos médicos deben cumplir estrictos estándares de seguridad eléctrica (como IEC 60601-1) y la disposición de los diodos debe garantizar el aislamiento entre áreas de alto y bajo voltaje para evitar el riesgo de descarga eléctrica.

Distancia de fuga y espacio libre eléctrico: se debe mantener un espacio adecuado entre las clavijas de los diodos de alto-voltaje (como los de más de 600 V) y otros dispositivos/cableados de alto-voltaje. Por ejemplo, en el circuito de generación de alto-voltaje de un desfibrilador, se establece una distancia de fuga de al menos 2 mm entre el diodo y el condensador, y la resistencia del aislamiento se incrementa abriendo las ventanas.
Ranura y ventana de aislamiento: entre las áreas de alto y bajo voltaje, se pueden abrir ventanas debajo de la capa de máscara de soldadura (área libre de cobre) e incluso se pueden hacer ranuras en la PCB para aumentar la distancia de fuga. Por ejemplo, en el módulo de potencia de un equipo láser médico, el lado de alto voltaje y el lado de bajo voltaje están completamente separados por ranuras de aislamiento.
Separación de tierra de energía y tierra de señal: separe físicamente la tierra de energía (PGND), que transporta grandes corrientes de pulso, de la tierra de señal (SGND) que requiere silencio, y conéctelas en un solo punto para evitar interferencias. Por ejemplo, en el circuito de adquisición de señales de un monitor portátil, el cable de tierra del fotodiodo está conectado independientemente de la tierra para reducir el acoplamiento de ruido.
4, supresión de EMI y optimización de alta-frecuencia
En los equipos médicos, la acción de conmutación de alta-frecuencia de los diodos puede generar interferencias electromagnéticas (EMI), lo que afecta el rendimiento del equipo o interfiere con otros dispositivos médicos. El diseño de diseño debe suprimir la EMI en los siguientes aspectos:

Minimiza el área crítica del bucle: compacta el diseño de los componentes del bucle de conmutación de alta-frecuencia, como diodos, tubos de conmutación, inductores/condensadores de almacenamiento de energía, etc., y acorta la longitud del enrutamiento. Por ejemplo, en los circuitos Buck/Boost, el diodo de rueda libre se coloca adyacente al transistor de conmutación, formando un diseño triangular para reducir el área del bucle.
Control de parámetros parásitos: en aplicaciones de alta-frecuencia, la capacitancia parásita (Cj) y la inductancia (Ls) de los diodos pueden causar atenuación o timbre de la señal. Se deben seleccionar diodos de baja capacitancia (como los diodos Schottky) y se deben reducir los efectos de aglomeración de corriente optimizando el cableado (como 45 grados o esquinas redondeadas).
Blindaje y filtrado: se utiliza aislamiento de tierra o enrutamiento diferencial para líneas de señal sensibles (como I2C, SPI), y se agregan perlas de ferrita o condensadores de filtrado en los terminales de entrada/salida. Por ejemplo, en la interfaz de comunicación de medidores de glucosa en sangre portátiles, los diodos TVS se combinan con inductores de modo común para suprimir ESD y las interferencias conducidas.
5, diseño de protección y confiabilidad
Los equipos médicos deben tener una alta confiabilidad y el diseño de los diodos debe considerar medidas de protección como sobretensión, sobrecorriente, ESD, etc.:

Protección contra sobretensión: utilice un diodo Zener o un diodo TVS en la entrada de alimentación para fijar el voltaje y evitar que los picos de voltaje dañen el circuito secundario. Por ejemplo, en el módulo de potencia de un concentrador de oxígeno portátil, el diodo TVS está conectado en paralelo en el extremo de entrada, con un tiempo de respuesta de menos de 1 ps y puede soportar una descarga de contacto de 8 kV.
Protección contra sobrecorriente: la corriente está limitada por una resistencia en serie o un diodo limitador de corriente para evitar que el diodo se queme debido a una sobrecarga. Por ejemplo, en un circuito controlador de diodo emisor de luz (LED), se conecta una resistencia limitadora de corriente en serie con el LED para garantizar que la corriente de funcionamiento esté dentro de un rango seguro.
Protección ESD: instale diodos ESD cerca de las interfaces de datos (como puertos USB y Ethernet) y siga el principio de "cerca de la entrada ESD". Por ejemplo, en la interfaz USB de los dispositivos de ultrasonido portátiles, la distancia entre el diodo TVS y el conector es inferior a 3 cm, y el terminal de tierra está conectado al plano de tierra a través de múltiples vías, lo que resulta en una disminución de 15 V en el voltaje de sujeción.
6, optimización del diseño para escenarios de aplicaciones especiales
Para las necesidades especiales de los equipos médicos, es necesario optimizar aún más la disposición de los diodos:

Diseño de circuito flexible: en dispositivos médicos portátiles, como apósitos inteligentes, los diodos deben conectarse a través de un cableado de alimentación flexible para adaptarse a la deformación del dispositivo. Por ejemplo, los diodos-emisores de luz están conectados a sustratos de sensores a través de PCB flexibles, e incluso si el grosor del apósito cambia, los LED aún pueden disponerse de manera estable en la superficie para evitar comprimir el área afectada del paciente.
Diseño de bajo consumo de energía: en dispositivos portátiles, elija diodos de baja corriente de fuga (como diodos de recuperación ultrarrápida) para reducir el consumo de energía estática. Por ejemplo, en el circuito de adquisición de señales de monitores de electrocardiograma portátiles, los fotodiodos están diseñados con baja corriente oscura y se combinan con amplificadores operacionales de bajo-ruido para mejorar la relación señal-a-ruido.
Integración de alta densidad: en microdispositivos médicos, como sensores implantables, se utilizan diodos empaquetados miniaturizados (como DFN, SOD-123) para ahorrar espacio. Por ejemplo, en el circuito de gestión de energía de los estimuladores neuronales, los diodos de carburo de silicio están empaquetados en DFN, lo que reduce el área en un 80 % en comparación con el embalaje tradicional TO-220.