为医疗应用指定连接器时要考虑的五个问题

2022年07月11日 09:07
来源:Digi-Key
作者:Jeff Shepard

医疗设备和系统的设计者需要连接器能够帮助他们实现日益增加的复杂性和更加小巧的外形,同时在各种使用模式下确保高水平的可靠性和性能。有些连接器在系统内无法接触到,因此可靠性至关重要。其他连接器是由外科医生、内科医生、护士或技术人员经常使用的,因此使用便利性和高配接次数也很重要。

根据应用的不同,用于医疗设备和系统的连接器必须符合 IEC 60601、ISO 80369-1 和 ISO 13485 等标准,并可能需要超出典型行业标准和规范的严格环境测试。

除了可使用的模型和具体的标准,设计者还需要在非归零 (NRZ)(亦称脉冲振幅调制 2 级 (PAM2))和脉冲振幅调制 4 级 (PAM4) 连接器技术之间进行技术权衡,以达到特定用例的最佳成本和性能。

设计者在确定最佳解决方案时,需要考察的连接器类型广泛。为了协助这一过程,本文首先简要回顾了为医疗设备指定连接器时应牢记的五个重要因素。然后介绍了 Samtec 连接器选择实例,最后概述了在高速系统中集成连接器时的应用考量。

NRZ 与 PAM4 之比较

NRZ 在每个信号间隔就会传输 1 比特的信息。PAM4 是一种多级信号调制格式,吞吐量为每个间隔 2 比特。在 NRZ 眼中,顶部代表 "1",底部代表 "0",而 PAM4 信号由三个堆叠的眼组成,使用四个电压电平;00、01、10 和 11(图 1)。眼的高度是一个重要考虑因素。NRZ 信号眼的高度越大,信号质量就越好。与 PAM4 相比,NRZ 实现起来更简单,反射率更低,信噪比 (SNR) 更好,而且成本更低。然而,PAM4 本身速度较快,用于高速链路,如多吉比特通信。


图 1:NRZ 有一个单眼(左),每个信号间隔传输 1 比特信息。PAM4 是一种多级信号调制格式,有三个眼(右),吞吐量为每个间隔 2 比特。(图片来源:Samtec Inc.)

机械考量

选择连接器时的机械考虑因素包括接触间距、配合类型、端子样式和尺寸(图 2)。间距测量了触头的中心到中心间距。间距可以多于一个值;每行触头之间的间距和行与行之间的间距可以相同或不同。印刷电路板(PC 板)上的连接器可以使用水平、垂直或直角配接。保持力是另一个考虑因素,它衡量了拆除连接器的难易程度。


图 2:一小部分可供选择的各种触头间距、端子和尺寸。(图片来源:Samtec Inc.)

常见的端子样式包括通孔、表面贴装、通孔锡膏和压合式。通孔触头通过 PC 板上的一个孔,在 PC 板层之间提供强有力的连接。表面贴装型连接器安装在 PC 板的表面,不需要钻孔。与通孔连接器相比,其间距可以更小。在越来越多的应用中,通孔端子正在被表面贴装端子所取代。

通孔锡膏连接器安装在没有完全穿透 PC 板的孔中。为了适合表面贴装或通孔锡膏设计,连接器主体材料必须能够承受焊接回流温度,而且它们需要在引线周围有水平和垂直间隙,以容纳所需数量的焊膏。

压入式端子是无焊的,成本较低,但需要特殊的工具进行安装。它们被压入 PC 板上的一个孔中,并通过压缩力固定在那里。不太常见的端子方式包括接点栅格阵列、球栅阵列、绕线、压接和螺丝端子。

易于使用

在需要定期配接和非配接的应用中,接触电阻、配接次数和配接力/解配力有助于实现连接器的使用便利性。接触电阻越低,通过连接器损失的电力就越少。只要接触电阻保持在足够低的水平即可满足电气要求,低配接/解配力可以提升使用便利性。连接器的配接/解配次数是有规格限制的,从几十次到几千次不等。连接器的配接次数寿命必须与应用的需求相匹配。

当连接器触头接合时,触头会发生位移,金属会发生弯曲。弯曲是很重要的,它决定了配接和解配连接器所需的力,以及接触电阻。弯曲也会在接触中造成应力,导致配接/解配力下降,接触电阻随时间而增加。用更昂贵的磷青铜取代连接器触头中常用的黄铜基底金属,将提高使用次数寿命。磷青铜比黄铜更有弹性,不容易受到限制青铜触头使用次数寿命的应力的影响。

IEC 60601、ISO 80369-1 和 ISO 13485

对于各种医疗系统和设备,有许多应用特定的行业标准。在所有的设计中,需要考虑的三个比较普遍的标准是:

· ISO 80369-1 聚焦设计方法,以减少医疗设备之间或不同应用的配件之间的误接的风险。
· IEC 60601 侧重于基本安全和基本性能的一般要求,包括电磁干扰 (EMI) 和电磁兼容 (EMI) 。
· ISO 13485 则聚焦于跟踪制造过程中使用的元器件和工艺所需的质量系统。它与 ISO-9001 有关。

超越行业标准的测试

恶劣环境测试 (SET) 是 Samtec 开发的一套测试,超越了典型的行业标准和规范,具体包括:

· 100% 湿度下 250 次配接
· 基于低水平接触电阻 (LLCR) 和事件检测的强烈冲击和振动
· LLCR 测试使用 40 倍标准重力 (g) 峰值,11 毫秒 (ms)、半正弦和 12g RMS,5 - 2000 赫兹 (Hz),1 小时/轴
· 按照 EIA-364-87、EIA-364-27 和 EIA-364-28,使用与 LLCR 测试相同的测试程序进行事件检测。
500 次温度循环
· 非操作级温度测试,连接器经过 LLCR 测试,暴露在 -55 至 105℃ 的环境中 100 次,然后再次进行 LLCR 测试;暴露在 -65 至 125℃ 的环境中 100次,再次进行 LLCR 测试;在 LLCR 测试中连接器必须保持变化 ≤5 毫欧 (mΩ) 才能通过。
· 70,000 英尺高度下的电介质耐受电压
· 静电放电 (ESD) 测试通常不在连接器上进行,但在恶劣环境测试中会包括这种测试。

能够进行 10,000 次配接的连接器

需要高达 10,000 次配接的设计者可以使用 Samtec 的 TFM 和 SFM 系列,这两个系列属该公司 Tiger Eye 互连系统成员。这些连接器是为微型、坚固、高可靠性、高配接次数应用而设计的,有三种间距;0.80、1.27 和 2.00 毫米 (mm)。这些连接器采用经过热处理的铍铜 (BeCu) 多指触头,为高配接次数应用进行了优化,专为恶劣环境应用而设计(图 3)。例如,TFM-105-01-S-D-A 型号是一个 10 针位的针座,触头间距为 1.27 mm。


图 3:Tiger Eye 互连器件(左)有各种格式和尺寸,并提供了一个坚固的接触系统,其额定配接次数达 10,000+。TFM-105-01-S-D-A(右)是一个 10 针位针座,触头间距为 1.27 mm。(图片来源:Samtec Inc.)

光滑的接触配接面不会对镀层造成压力,实现了更低的接触电阻,更长的镀层寿命和更久的使用次数寿命。焊料可以很容易地渗透到尾部的微槽中,实现了更大的焊点强度。这些连接器是极化的,以保证正确的配接,而可选的摩擦锁则提高了连接的安全性。

高密度、高速连接器

需要高速、高密度的应用可以使用 Samtec 的 SEARAY 1.27 mm 开放引脚现场压合阵列。这些连接器触头多达 500 个,优化了信号完整性,提供垂直或直角安装选择(图 4)。该系统具有多达 10 行、每行 50 个的触头,实现了接地和布线的灵活性;提供 7 mm、8 mm、8.5 mm 和 9.5 mm 堆叠高度选择;并能处理高达 28 千兆位比特/秒(Gbits/s)的信号。例如,零件 SEAFP-40-05.0-S-06 是一种垂直安装设计,具有 240 个触头和通孔端子。


图 4:SEARAY 1.27 mm 高密度开放引脚现场压装阵列有垂直和直角(如上图)两种选择。(图片来源:Samtec Inc.)

用于 PAM4 或 NRZ 的连接器

需要更高接触密度和超过 28 Gbits/s 速度的应用可以使用 56 Gbit/s SEARAY 系列。其 0.8 mm 间距可提供两倍于 1.27 mm 间距的连接器接触密度,可实现 7 mm 和 10 mm 的堆叠高度,并可处理 PAM4 或 NRZ 通信。配置方面,最多可以有 12 行 60 个触头,共 720 个。这些开放式引脚场阵列提供了最大的接地和布线灵活性,包括差分信号对、单端信号传输和功率输送(图 5)。零件 SEAF8-20-05.0-S-04-2-K 具有 80 个镀金触头和表面安装端子。这些连接器通过了 SET 测试。


图 5:SEARAY 高密度开放引脚场阵列提供了最大的接地和布线灵活性,包括差分信号对、单端信号传输和功率输送。(图片: Samtec)

高速连接器的应用考量

在医疗应用中使用高速连接器时,设计者需要考虑许多与信号完整性和电磁干扰有关的因素,其中一些考虑因素包括:

· 越短越好。越短的连接器信号质量越好。连接器越短,发生反射和串扰的时间就越短。
· 信号背景比很重要。在大多数情况下,1:1 的比例最佳,但对于引脚数较多的连接器,可能需要小于 1:1 的比例,以实现可靠的高速、单端操作。
· 对于承载 2.5 Gbits/s 或更快信号的差分连接器,建议对触头对进行接地屏蔽。
· 在带有多个连接器的电路板上,错配可能是一个严重的问题。严格遵循制造商推荐的端子连接规格,并将对准针孔直径公差保持在 ±0.002 英寸 (0.05 mm)。
· EMI 不仅仅是一个 PC 板的问题。板对板连接器也会造成 EMI 问题,需要从一开始就作为整体设计的一部分加以考虑。

结语

为医疗系统选择连接器是一项重要而复杂的活动。除了满足电气规格和支持 NRZ 和 PAM4 等通信协议外,还需要对连接器进行优化,以满足机械耐用性、可靠性和易用性要求。遵守相关的行业标准是很重要的,但通常需要进行超出行业规范的测试,如这里提到的 Samtec 设备,就是确保医疗设备和系统中的连接器达到预期高水平性能所需要的。