醫(yī)療設(shè)備對高速連接器的應(yīng)用考量

　　醫(yī)療設(shè)備和系統(tǒng)的設(shè)計者需要連接器能夠幫助他們實現(xiàn)日益增加的復(fù)雜性和更加小巧的外形，同時在各種使用模式下確保高水平的可靠性和性能。有些連接器在系統(tǒng)內(nèi)無法接觸到，因此可靠性至關(guān)重要。其他連接器是由外科醫(yī)生、內(nèi)科醫(yī)生、護(hù)士或技術(shù)人員經(jīng)常使用的，因此使用便利性和高配接次數(shù)也很重要。

　　根據(jù)應(yīng)用的不同，用于醫(yī)療設(shè)備和系統(tǒng)的連接器必須符合 IEC 60601、ISO 80369-1 和 ISO 13485 等標(biāo)準(zhǔn)，并可能需要超出典型行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的嚴(yán)格環(huán)境測試。

　　除了可使用的模型和具體的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計者還需要在非歸零 （NRZ）（亦稱脈沖振幅調(diào)制 2 級 （PAM2））和脈沖振幅調(diào)制 4 級 （PAM4） 連接器技術(shù)之間進(jìn)行技術(shù)權(quán)衡，以達(dá)到特定用例的最佳成本和性能。

　　設(shè)計者在確定最佳解決方案時，需要考察的連接器類型廣泛。為了協(xié)助這一過程，本文首先簡要回顧了為醫(yī)療設(shè)備指定連接器時應(yīng)牢記的五個重要因素。然后介紹了 Samtec 連接器選擇實例，最后概述了在高速系統(tǒng)中集成連接器時的應(yīng)用考量。

　　NRZ 與 PAM4 之比較

　　NRZ 在每個信號間隔就會傳輸 1 比特的信息。PAM4 是一種多級信號調(diào)制格式，吞吐量為每個間隔 2 比特。在 NRZ 眼中，頂部代表 “1”，底部代表 “0”，而 PAM4 信號由三個堆疊的眼組成，使用四個電壓電平；00、01、10 和 11（圖 1）。眼的高度是一個重要考慮因素。NRZ 信號眼的高度越大，信號質(zhì)量就越好。與 PAM4 相比，NRZ 實現(xiàn)起來更簡單，反射率更低，信噪比 （SNR） 更好，而且成本更低。然而，PAM4 本身速度較快，用于高速鏈路，如多吉比特通信。

　　圖 1：NRZ 有一個單眼（左），每個信號間隔傳輸 1 比特信息。PAM4 是一種多級信號調(diào)制格式，有三個眼（右），吞吐量為每個間隔 2 比特。（圖片來源：Samtec Inc.）

　　機械考量

　　選擇連接器時的機械考慮因素包括接觸間距、配合類型、端子樣式和尺寸。間距測量了觸頭的中心到中心間距。間距可以多于一個值；每行觸頭之間的間距和行與行之間的間距可以相同或不同。印刷電路板（PC 板）上的連接器可以使用水平、垂直或直角配接。保持力是另一個考慮因素，它衡量了拆除連接器的難易程度。

　　常見的端子樣式包括通孔、表面貼裝、通孔錫膏和壓合式。通孔觸頭通過 PC 板上的一個孔，在 PC 板層之間提供強有力的連接。表面貼裝型連接器安裝在 PC 板的表面，不需要鉆孔。與通孔連接器相比，其間距可以更小。在越來越多的應(yīng)用中，通孔端子正在被表面貼裝端子所取代。

　　通孔錫膏連接器安裝在沒有完全穿透 PC 板的孔中。為了適合表面貼裝或通孔錫膏設(shè)計，連接器主體材料必須能夠承受焊接回流溫度，而且它們需要在引線周圍有水平和垂直間隙，以容納所需數(shù)量的焊膏。

　　壓入式端子是無焊的，成本較低，但需要特殊的工具進(jìn)行安裝。它們被壓入 PC 板上的一個孔中，并通過壓縮力固定在那里。不太常見的端子方式包括接點柵格陣列、球柵陣列、繞線、壓接和螺絲端子。

　　易于使用

　　在需要定期配接和非配接的應(yīng)用中，接觸電阻、配接次數(shù)和配接力/解配力有助于實現(xiàn)連接器的使用便利性。接觸電阻越低，通過連接器損失的電力就越少。只要接觸電阻保持在足夠低的水平即可滿足電氣要求，低配接/解配力可以提升使用便利性。連接器的配接/解配次數(shù)是有規(guī)格限制的，從幾十次到幾千次不等。連接器的配接次數(shù)壽命必須與應(yīng)用的需求相匹配。

　　當(dāng)連接器觸頭接合時，觸頭會發(fā)生位移，金屬會發(fā)生彎曲。彎曲是很重要的，它決定了配接和解配連接器所需的力，以及接觸電阻。彎曲也會在接觸中造成應(yīng)力，導(dǎo)致配接/解配力下降，接觸電阻隨時間而增加。用更昂貴的磷青銅取代連接器觸頭中常用的黃銅基底金屬，將提高使用次數(shù)壽命。磷青銅比黃銅更有彈性，不容易受到限制青銅觸頭使用次數(shù)壽命的應(yīng)力的影響。

　　IEC 60601、ISO 80369-1 和 ISO 13485

　　對于各種醫(yī)療系統(tǒng)和設(shè)備，有許多應(yīng)用特定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在所有的設(shè)計中，需要考慮的三個比較普遍的標(biāo)準(zhǔn)是：

• 　　ISO 80369-1 聚焦設(shè)計方法，以減少醫(yī)療設(shè)備之間或不同應(yīng)用的配件之間的誤接的風(fēng)險。
• 　　IEC 60601 側(cè)重于基本安全和基本性能的一般要求，包括電磁干擾 （EMI） 和電磁兼容 （EMI） 。
• 　　ISO 13485 則聚焦于跟蹤制造過程中使用的元器件和工藝所需的質(zhì)量系統(tǒng)。它與 ISO-9001 有關(guān)。

　　超越行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的測試

• 　　惡劣環(huán)境測試 （SET） 是 Samtec 開發(fā)的一套測試，超越了典型的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，具體包括：
• 　　100% 濕度下 250 次配接
• 　　基于低水平接觸電阻 （LLCR） 和事件檢測的強烈沖擊和振動
• 　　LLCR 測試使用 40 倍標(biāo)準(zhǔn)重力 （g） 峰值，11 毫秒 （ms）、半正弦和 12g RMS，5 - 2000 赫茲 （Hz），1 小時/軸
• 　　按照 EIA-364-87、EIA-364-27 和 EIA-364-28，使用與 LLCR 測試相同的測試程序進(jìn)行事件檢測。
• 　　500 次溫度循環(huán)
• 　　非操作級溫度測試，連接器經(jīng)過 LLCR 測試，暴露在 -55 至 105℃ 的環(huán)境中 100 次，然后再次進(jìn)行 LLCR 測試；暴露在 -65 至 125℃ 的環(huán)境中 100次，再次進(jìn)行 LLCR 測試；在 LLCR 測試中連接器必須保持變化 ≤5 毫歐 （mΩ） 才能通過。
• 　　70，000 英尺高度下的電介質(zhì)耐受電壓
• 　　靜電放電 （ESD） 測試通常不在連接器上進(jìn)行，但在惡劣環(huán)境測試中會包括這種測試。

　　能夠進(jìn)行 10，000 次配接的連接器

　　需要高達(dá) 10，000 次配接的設(shè)計者可以使用 Samtec 的 TFM 和 SFM 系列，這兩個系列屬該公司 Tiger Eye 互連系統(tǒng)成員。這些連接器是為微型、堅固、高可靠性、高配接次數(shù)應(yīng)用而設(shè)計的，有三種間距；0.80、1.27 和 2.00 毫米 （mm）。這些連接器采用經(jīng)過熱處理的鈹銅 （BeCu） 多指觸頭，為高配接次數(shù)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，專為惡劣環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計。例如，TFM-105-01-S-D-A 型號是一個 10 針位的針座，觸頭間距為 1.27 mm。

　　光滑的接觸配接面不會對鍍層造成壓力，實現(xiàn)了更低的接觸電阻，更長的鍍層壽命和更久的使用次數(shù)壽命。焊料可以很容易地滲透到尾部的微槽中，實現(xiàn)了更大的焊點強度。這些連接器是極化的，以保證正確的配接，而可選的摩擦鎖則提高了連接的安全性。

　　高密度、高速連接器

　　需要高速、高密度的應(yīng)用可以使用 Samtec 的 SEARAY 1.27 mm 開放引腳現(xiàn)場壓合陣列。這些連接器觸頭多達(dá) 500 個，優(yōu)化了信號完整性，提供垂直或直角安裝選擇。該系統(tǒng)具有多達(dá) 10 行、每行 50 個的觸頭，實現(xiàn)了接地和布線的靈活性；提供 7 mm、8 mm、8.5 mm 和 9.5 mm 堆疊高度選擇；并能處理高達(dá) 28 千兆位比特/秒（Gbits/s）的信號。例如，零件 SEAFP-40-05.0-S-06 是一種垂直安裝設(shè)計，具有 240 個觸頭和通孔端子。

　　用于 PAM4 或 NRZ 的連接器

　　需要更高接觸密度和超過 28 Gbits/s 速度的應(yīng)用可以使用 56 Gbit/s SEARAY 系列。其 0.8 mm 間距可提供兩倍于 1.27 mm 間距的連接器接觸密度，可實現(xiàn) 7 mm 和 10 mm 的堆疊高度，并可處理 PAM4 或 NRZ 通信。配置方面，最多可以有 12 行 60 個觸頭，共 720 個。這些開放式引腳場陣列提供了最大的接地和布線靈活性，包括差分信號對、單端信號傳輸和功率輸送（圖 5）。零件 SEAF8-20-05.0-S-04-2-K 具有 80 個鍍金觸頭和表面安裝端子。這些連接器通過了 SET 測試。

　　圖 ：SEARAY 高密度開放引腳場陣列提供了最大的接地和布線靈活性，包括差分信號對、單端信號傳輸和功率輸送。（圖片： Samtec）

　　高速連接器的應(yīng)用考量

　　在醫(yī)療應(yīng)用中使用高速連接器時，設(shè)計者需要考慮許多與信號完整性和電磁干擾有關(guān)的因素，其中一些考慮因素包括：

　　越短越好。越短的連接器信號質(zhì)量越好。連接器越短，發(fā)生反射和串?dāng)_的時間就越短。

　　信號背景比很重要。在大多數(shù)情況下，1:1 的比例最佳，但對于引腳數(shù)較多的連接器，可能需要小于 1:1 的比例，以實現(xiàn)可靠的高速、單端操作。

　　對于承載 2.5 Gbits/s 或更快信號的差分連接器，建議對觸頭對進(jìn)行接地屏蔽。

　　在帶有多個連接器的電路板上，錯配可能是一個嚴(yán)重的問題。嚴(yán)格遵循制造商推薦的端子連接規(guī)格，并將對準(zhǔn)針孔直徑公差保持在 ±0.002 英寸 （0.05 mm）。

　　EMI 不僅僅是一個 PC 板的問題。板對板連接器也會造成 EMI 問題，需要從一開始就作為整體設(shè)計的一部分加以考慮。

　　結(jié)語

　　為醫(yī)療系統(tǒng)選擇連接器是一項重要而復(fù)雜的活動。除了滿足電氣規(guī)格和支持 NRZ 和 PAM4 等通信協(xié)議外，還需要對連接器進(jìn)行優(yōu)化，以滿足機械耐用性、可靠性和易用性要求。遵守相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是很重要的，但通常需要進(jìn)行超出行業(yè)規(guī)范的測試，如這里提到的 Samtec 設(shè)備，就是確保醫(yī)療設(shè)備和系統(tǒng)中的連接器達(dá)到預(yù)期高水平性能所需要的。