便攜式手持醫療設備無論在醫療機構還是在病人家中，均能改善病患護理情況。 對電子電路保護元件的正確使用是醫療設備設計中一個重要部分，以確保可靠性和安全性。
電路保護是一項重要的設計元素
便攜式醫療儀器，如血糖儀、血壓計以及氧氣測量儀，可以設計成具有通信功能，以在病患和幾乎處在任何位置的照顧者之間提供持續的溝通。這將有希望以較低成本實現病患護理的改善，但卻需要設備設計人員在他們的電路設計以及元件選擇上更加密切關注可靠性和安全性問題。
過電壓和過電流保護元件的使用便是一個關鍵的設計考慮因素。 必須要考慮的主要子系統包括通信介面、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:表現通用型便攜式醫療器械的電路方塊圖
圖中綠色突顯電路可能會遇到電氣過應力（過電流、靜電放電、突波）並可能需要符合規範標準以滿足可靠性能的保護元件。
圖1是一種通用的手持式儀器的簡化電路圖。 綠色框指示的是可能受到過電壓或過電流條件的電路。 本文的其他部分將對電氣威脅和典型的解決方案進行介紹。
由於該產品將會被用戶頻繁地手持使用，主要的電氣威脅是靜電放電，在用戶走過地毯時會輕易地產生。靜電放電（ESD）能向內電路系統傳遞過高的電壓和電流。
幸運的是，要解決過電壓（靜電放電和雷擊突波）和過電流（短路和過載）情況有多種電路保護元件可用。例如，在通常用來為電池充電的USB埠上添加自復式正溫度系數（PTC）熱敏電阻器可以在便攜式儀器上提供過載電流保護。 這些元件能在過載發生時對電流進行限制，然後在過載情況消失之後“復位”至低電阻值。這消除了不得不更換保險絲所帶來的不便。
對於過電壓保護，手持式設備不會被直接連接到交流電網，所以它將是最有可能遇到低水平（殘餘）突波事件和靜電放電衝擊。對於這些事件，使用節省空間基於半導體技術的元件是有可能的。這些分離式和陣列式二極體提供低箝位電壓和不同的外型尺寸，以為電路保護提供多種設計選擇方案。這種低箝位電壓是基於半導體保護的一個重要特徵，因為它實現了對現今先進且易於損壞的晶片組的保護。
電路保護方案實例
通信介面保護是一個高優先級的問題，特別是對那些努力滿足康體佳健康聯盟(Continua Alliance)對傳輸數據互連指南的儀器製造商而言。 2008年出版的康體佳第一版標準定義了為家庭保健儀器與照顧者聯繫起來而制定出無線和有線傳輸的藍牙和USB的特定版本。 下面提供了一些實例，以說明對這些保護元件是如何應用的。
如圖1所示，一個手持式儀器的無線（射頻）介面可能受到經由其天線而引發的靜電放電突波的危害。 圖2中的電路說明了一種基於半導體技術的靜電放電解決方案，能保護藍牙電路的射頻放大器輸入模組免受靜電放電威脅。這種保護元件是一個0.5pF（以保持信號的完整性）分離二極體，能提供低箝位電壓以保護敏感的射頻前端。
圖2:藍牙天線和射頻前端的保護
儀器的傳感器輸入（例如，從血糖儀的驗血條到控制器IC）是用戶和測量電路之間的介面。 這種輸入同樣使得該儀器易於發生靜電放電損壞，因為該傳感器被連接到或以某種方式與用戶接觸。如圖3所示，分離式二極體能在這種電路中加以使用（在該例中顯示了四條線路）。 這些元件已經顯示出具有較低箝位電壓、以及非常低的漏電流（< 100nA），且能確保傳感器電路接收到足夠的信號以作出準確的測量。
圖3:傳感器測量電路的保護
便攜式醫療設備的USB埠可能被用作為內置電池組充電的電源，還可以用以與照顧者之間的數據交換。 該端口可以成為靜電放電以及過載電流的入口通道。 如圖4所示為可以提供一套完整電路保護解決方案的技術組合。 首先，為了防範過電流條件，使用了一個自復式PTC元件。在這種情況下，選擇了具有非常低電阻且節省空間（0805封裝）的元件。 這個特性會確保在為設備充電時將浪費的功率損耗和電壓降被減至最低。 其次，可保護電源端口和I/0線路免受靜電放電。 圖4顯示了保護所有三組線路的一個陣列，且具有足夠低的電容值，以確保在高速（480Mbps）數據傳輸時不會丟失數據。
在醫療設備的日常使用中，用戶會平凡接觸到通斷開關和其他各種按鈕。 如圖5所示，這些控制元件可以用0201封裝的空間效率型二極體進行保護。這些二極體具有非常強大的防止靜電放電性能（高達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計中。 分離式的行使因數還為電路板設計人員提供了很大的布局靈活性。
圖5:醫療設備上按鈕和開關的保護
正如前面所舉例子表明，便攜式醫療設備在其整個使用壽命中受到各種電氣威脅。 在電路板設計的早期階段記住最優化的保護選擇（元件、外形尺寸、位置等）是非常重要的。 良好的保護設計將有助於確保在產品使用壽命期間的可靠性。
除了這些例子，儀器的電池組、微處理器、或音頻揚聲器線路可能也需要保護。 Littelfuse提供豐富的資訊，以為這些電路的電路保護元件的選擇和應用提供協助。
Jim Colby是Littelfuse公司半導體事業部經理，負責業務和技術開發。南伊利諾伊大學電子工程學士學位（BSEE）；凱勒管理研究生院MBA。 他在Littelfuse公司工作14年。
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