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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 醫療設備和系統的設計者需要連接器能夠幫助他們實現日益增加的復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。有些連接器在系統內無法接觸到，因此可靠性至關重要。其他連接器是由外科醫生、內科醫生、護士或技術人員經常使用的，因此使用便利性和高配接次數也很重要。 根據應用的不同，用于醫療設備和系統的連接器必須符合 IEC 60601、ISO 80369-1 和 ISO 13485 等標準，并可能需要超出典型行業標準和規范的嚴格環境測試。 除了可使用的模型和具體的標準，設計者還需要在非歸零 (NRZ)（亦稱脈沖振幅調制 2 級 (PAM2)）和脈沖振幅調制 4 級 (PAM4) 連接器技術之間進行技術權衡，以達到特定用例的最佳成本和性能。 設計者在確定最佳解決方案時，需要考察的連接器類型廣泛。為了協助這一過程，本文首先簡要回顧了為醫療設備指定連接器時應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中集成連接器時的應用考量。 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，信號質量就越好。與 PAM4 相比，NRZ 實現起來更簡單，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（圖 2）。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。
圖 2：一小部分可供選擇的各種觸頭間距、端子和尺寸。（圖片來源：Samtec Inc.） 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用中，接觸電阻、配接次數和配接力/解配力有助于實現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/解配次數是有規格限制的，從幾十次到幾千次不等。連接器的配接次數壽命必須與應用的需求相匹配。 當連接器觸頭接合時，觸頭會發生位移，金屬會發生彎曲。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力，導致配接/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壽命的應力的影響。 IEC 60601、ISO 80369-1 和 ISO 13485 對于各種醫療系統和設備，有許多應用特定的行業標準。在所有的設計中，需要考慮的三個比較普遍的標準是： · ISO 80369-1 聚焦設計方法，以減少醫療設備之間或不同應用的配件之間的誤接的風險。 · IEC 60601 側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量系統。它與 ISO-9001 有關。 超越行業標準的測試 惡劣環境測試 (SET) 是 Samtec 開發的一套測試，超越了典型的行業標準和規范，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 倍標準重力 (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行事件檢測。 500 次溫度循環 · 非操作級溫度測試，連接器經過 LLCR 測試，暴露在 -55 至 105℃ 的環境中 100 次，然后再次進行 LLCR 測試；暴露在 -65 至 125℃ 的環境中 100次，再次進行 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耐受電壓 · 靜電放電 (ESD) 測試通常不在連接器上進行，但在惡劣環境測試中會包括這種測試。 能夠進行 10,000 次配接的連接器 需要高達 10,000 次配接的設計者可以使用 Samtec 的 TFM 和 SFM 系列，這兩個系列屬該公司 Tiger Eye 互連系統成員。這些連接器是為微型、堅固、高可靠性、高配接次數應用而設計的，有三種間距；0.80、1.27 和 2.00 毫米 (mm)。這些連接器采用經過熱處理的鈹銅 (BeCu) 多指觸頭，為高配接次數應用進行了優化，專為惡劣環境應用而設計（圖 3）。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。
圖 3：Tiger Eye 互連器件（左）有各種格式和尺寸，并提供了一個堅固的接觸系統，其額定配接次數達 10,000+。TFM-105-01-S-D-A（右）是一個 10 針位針座，觸頭間距為 1.27 mm。（圖片來源：Samtec Inc.） 光滑的接觸配接面不會對鍍層造成壓力，實現了更低的接觸電阻，更長的鍍層壽命和更久的使用次數壽命。焊料可以很容易地滲透到尾部的微槽中，實現了更大的焊點強度。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、高密度的應用可以使用 Samtec 的 SEARAY 1.27 mm 開放引腳現場壓合陣列。這些連接器觸頭多達 500 個，優化了信號完整性，提供垂直或直角安裝選擇（圖 4）。該系統具有多達 10 行、每行 50 個的觸頭，實現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 28 千兆位比特/秒（Gbits/s）的信號。例如，零件 SEAFP-40-05.0-S-06 是一種垂直安裝設計，具有 240 個觸頭和通孔端子。
圖 4：SEARAY 1.27 mm 高密度開放引腳現場壓裝陣列有垂直和直角（如上圖）兩種選擇。（圖片來源：Samtec Inc.） 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 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 5：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） 高速連接器的應用考量 在醫療應用中使用高速連接器時，設計者需要考慮許多與信號完整性和電磁干擾有關的因素，其中一些考慮因素包括： · 越短越好。越短的連接器信號質量越好。連接器越短，發生反射和串擾的時間就越短。 · 信號背景比很重要。在大多數情況下，1:1 的比例最佳，但對于引腳數較多的連接器，可能需要小于 1:1 的比例，以實現可靠的高速、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，錯配可能是一個嚴重的問題。嚴格遵循制造商推薦的端子連接規格，并將對準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計的一部分加以考慮。 結語 為醫療系統選擇連接器是一項重要而復雜的活動。除了滿足電氣規格和支持 NRZ 和 PAM4 等通信協議外，還需要對連接器進行優化，以滿足機械耐用性、可靠性和易用性要求。遵守相關的行業標準是很重要的，但通常需要進行超出行業規范的測試，如這里提到的 Samtec 設備，就是確保醫療設備和系統中的連接器達到預期高水平性能所需要的。 |
