發布日期：2022-04-17 點擊率：25
隨著許多慢性病和身體狀況監護需求的增加，病人監護設備的使用正在迅速擴大，因為它們對加速愈合、避免并發癥和保持最佳健康狀態至關重要。典型的病人監護設備互連系統會在設備內部以及在設備之間傳輸數據（有時包括高分辨率圖像）、電源和控制信號。這些系統的設計者必須應對眾多而且往往是相互沖突的挑戰，包括更小的外形尺寸、更多的功能集合以及要求高信號完整性 (SI) 和流暢數據傳輸的更快數據速率。
同時，這些設備必須讓病人感到舒適，盡管監護儀固有的復雜性及其功能的關鍵性，但要對醫護人員和病人都易于使用（在適當的時候）。使用設計笨重、不合適或不良的連接器或互連器件會破壞這些目標并增加不必要的成本。
為了滿足這些應用的要求，市場為設計者提供了許多日益完善的連接器和互連器件選擇。例如，根據具體應用的需求，設計者可以選擇用于低成本自動裝配的扁平柔性 (FPC) 高密度連接器，在線對板解決方案不切實際的情況下，選擇中心間距小的柔性印刷電纜 (FPC)，或選擇提供緊湊、易用、高速連接的 USB Type-C? 連接器。
本文簡要回顧了病人監護設備的互連需求，探討了設備內部以及設備與外部世界之間的連接。然后將介紹 Molex 的 FFC、FPC 和 USB Type-C 連接器實例，探討其主要特性和優點以及如何正確應用。
FFC 與 FPC 的結合可以支持設計者對病人監護設備的高密度和高速板對板互連系統的需求。其中一些連接器可用于手動和機器人裝配操作，并具有采用自動鎖定機制的單步配接功能（圖 1）。
圖 1：FFC 和 FPC 連接器可用于手動和機器人裝配操作，并具有采用自動鎖定機制的單步配接功能。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
FFC 板對板連接器可用于支持最高 40 千兆赫 (GHz) 的數據速率，并可在多個低矮的方向上（包括直角和垂直方向）提供多達 80 個連接，帶來了靈活的設計選擇。連接間距可以小于一毫米 (mm)，以支持窄封裝設計。提供零插入力 (ZIF) 和非 ZIF 設計，以滿足特定應用的需要。
有些 FFC 的指定溫度高達 150 攝氏度 (℃)，能夠用于各種布線選擇，包括通用 FFC 電纜、鎖定 FFC 電纜或定制 FFC 電纜。這些連接器通常可以接受標準或屏蔽式 FFC，而且接地終端支持高速協議的需要，如低壓差分信號 (LVDS)。為了獲得最大的性能，屏蔽電纜應與具有接地端子的連接器一起使用。
病人監護對于護理人員來說可謂是至關重要，因為幫助他們了解人體對減輕或修復疾病或其他身體疾病影響的療法的反應。這往往需要將監測到的數據送到監護設備之外的設備上。
USB Type-C 連接器可以成為將病人監護設備連接到外部設備（如 HDMI 顯示器和數據存儲系統）的最佳選擇。這些連接器具有對稱和可反向的引腳布局，具有易用性和靈活性，因為它們可以以任何方向連接（圖 2）。
圖 2：USB Type-C 連接器具有對稱和可反向的引腳布局，具有易用性和靈活性。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
實現最新的 USB4 協議必須使用 USB Type-C 連接器。USB4 基于 Thunderbolt 3 接口，允許 DisplayPort 和 PCI Express (PCIe) 數據進行隧道傳輸，并支持每秒 20 吉比特 (Gbits/s) 的標稱數據速率，并可擴展到 40 Gbits/s。USB4 具有多個終端設備類型動態共享單一高速鏈接的能力，可以按類型和應用優化數據傳輸。因此，與 USB 3.2 相比，當采用隧道技術時，發送混合數據時的標稱 20 Gbit/s 數據速率可以帶來更高的有效吞吐量。
USB 供電 (PD) 協議提供高達 20 伏、5 安培 (A) 和 100 瓦的充電和其他用途，包括擴大數據傳輸能力。與微型 USB 2.0 的 1.8 A 充電能力相比，USB Type-C PD 可將電池充電時間減少 40% 至 64%。USB PD 智能和靈活的系統級電源管理功能支持雙向供電，可以實時切換方向，使 Type-C 支持其他標準成為可能，如 DisplayPort、HDMI 或 PCIe。
快速角色交換 (FRS) 是最新版 USB Type-C PD 規范中的一項改進。設計者可以使用 FRS 來降低數據丟失的風險，并在電源線從集線器或底座上意外移除的情況下，保持像病人監護設備這樣的 USB 外設的信號完整性。FRS 在 150 微秒 (μs) 內實現，使電池成為源極，其他設備成為漏極，并保持不間斷運行。數據通信在單一方向上不間斷地繼續進行，即使電源方向逆轉，也能保持系統運行并防止出現故障。
USB4 下 USB PD 性能的另一個增強是可編程電源 (PPS) 能力。PPS 實現了電壓和電流的小步調節能力。如果一個電源插座連接到一個具有 PPS 功能的電源上，它可以要求改變該電源輸送的功率。PPS 可以實現鋰離子電池的快速充電，提高整個系統的功率效率，從而減少熱負荷，并支持更高的系統封裝密度。
如上所述，FFC 與 FPC 的結合滿足了病人監護設備設計者對高密度和高速板對板互連系統的需求，同時支持手動或機器人組裝。Molex 的 Easy-On FFC/FPC 連接器系列中的型號 0541324062 就是一個很好的實例。該連接器有 40 個針位，觸頭表面鍍金，間距為 0.50 毫米 (mm)（圖 3）。
圖 3：Molex 0541324062 型號 Easy-On FFC/FPC 連接器具有 40 個針位，觸頭表面鍍金，間距為 0.50 毫米 (mm)。（圖片來源：Molex）
0541324062 型號支持最高 10 Gbits/s 的數據速率。通過主動慣性鎖定實現完全電纜插入和安全配接。20 牛頓 (N) 的電纜固位力確保了抗沖擊和抗振動。堅固的焊片給印刷電路板帶來了固位和應力消除能力。
Molex 的 Premo-Flex 0151660431 型號 FFC 跳線間距為 0.50 mm，長度為 102.00 mm（圖 4），與 541324062 型號 Easy-On FFC/FPC 連接器一起使用時，可與該連接器的 40 個針位緊密配接。這種板對板的互連系統可以幫助設計者解決空間受限或難以伸手操作的應用中的挑戰。
圖 4：Molex 的 0151660431 0.50 mm 間距 Premo-Flex FFC 跳線有 40 個針位，長度為 102.00 mm。（圖片來源：Molex）
Molex 提供各種電纜長度、電路尺寸、間距和厚度的 Premo-Flex 跳線。這些耐用、超柔軟的電纜額定溫度為 105°C，彎曲壽命為 900,000 次，而標準跳線為 6,000 次。
請注意，當從 Easy-On FFC/FPC 連接器上連接或斷開 FFC 跳線時，必須確保所有的連接都斷電，以避免產生火花而損壞觸頭。另外，在打開或關閉鎖緊器時，應在鎖緊器的兩邊同時用力。只對一側用力可能導致連接器損壞。最后，當把柔性電纜插入連接器時，電纜上不應該有任何拉扯力或張力。否則，鎖緊器可能無法正常鎖定，電纜可能被損壞，或切斷線路。
諸如 1054500101 這樣的 Molex USB Type-C 系列連接器可以支持無故障病人監護數據傳輸和高信號完整性，同時可向設備提供電源（圖 5）。Molex 在其 USB Type-C 連接器中使用了三種嵌件成型工藝，將配接舌片制成單一部件，并最大限度地減少了進水。通過額外的三種嵌件成型工藝，將端子拉出或彎曲的風險降至最低，從而實現更高的機械耐久性和電氣可靠性。這些連接器提供了一個耐用的解決方案，額定插撥次達到 10,000 次，可承受不當插入嘗試和其他濫用。
圖 5：像 1054500101 這樣的 USB Type-C 連接器可以支持無故障數據傳輸，并為醫療監護設備提供電源。（圖片來源：Molex）
這些高性能的連接器具有以下特性：
高達 40 Gbit/s 的數據速率，支持高速網絡應用
支持 4K分辨率高質量顯示器
提供 EMI/RFI 保護的屏蔽
通過在殼體和外殼之間使用膠布插頭，防止在配接過程中出現電短路。
穩定的電氣性能，支持更高的電流容量和最小的溫度上升
增加了 USB Type-C 連接器的功率容量，實現了較小的引腳間距，這意味著設計者需要注意熱失控時的潛在安全和火災危險。正常情況下，USB PD 電源規則確保了安全運行。然而，連接器或電纜的損壞會導致出現非安全操作。過流和超溫保護裝置通常包括在 USB Type-C 連接器和電纜的設計中，以減少熱失控的可能性。
USB Type-C 電纜中的超高速傳輸差分對具有 90 歐姆 (Ω) 的差分阻抗。使用備用模式的設計也必須能夠處理 90 Ω。
隨著人們對病人監護需求的增加，這類系統的設計者需要連接器和相關互連電纜與跳線能夠可靠地將多種類型的高速數據以及電源和控制信號傳送到病人身上或從病人身上傳送出來。這些連接通常必須在狹小的空間條件下以最小的成本完成，同時還要確保使用方便，并將對病人的舒適度影響降至最小。
如上所述，FFC、FPC 和 USB Type-C 連接器的出現，以高效裝配能力、高信號完整性和更大的使用便利性解決了這些挑戰。只要恰當地組合使用這些連接器和互連器件，設計者就可以解決病人監護從電氣性能到護理質量的固有復雜性。
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