Vijf overwegingen bij het specificeren van connectors voor medische toepassingen

Ontwerpers van medische apparatuur en systemen hebben connectoren nodig die hen helpen het hoofd te bieden aan de toenemende complexiteit en kleinere vormfactoren, en die tegelijkertijd een hoog niveau van betrouwbaarheid en prestaties garanderen onder diverse gebruiksmodellen. Sommige connectors zijn binnen het systeem ontoegankelijk, waardoor de betrouwbaarheid kritisch is. Andere connectors worden regelmatig gebruikt door chirurgen, artsen, verpleegkundigen of technici, zodat gebruiksgemak en een hoog aantal paringscycli ook belangrijk zijn.

Afhankelijk van de toepassing moeten connectors voor medische apparatuur en systemen voldoen aan normen als IEC 60601, ISO 80369-1 en ISO 13485, en moeten ze soms strenge milieutests ondergaan die verder gaan dan de gebruikelijke industriële normen en specificaties.

Naast een bruikbaar model en specifieke normen moeten ontwerpers rekening houden met technische afwegingen tussen NRZ (non-return-to-zero), ook wel PAM2 (pulse amplitude modulation 2-level) en PAM4 (pulse amplitude modulation 4-level) connectortechnologieën genoemd, om te komen tot de optimale kosten en prestaties voor een specifiek gebruiksscenario.

Ontwerpers moeten bij het zoeken naar de beste oplossing rekening houden met een breed scala van connectortypes. Om dit proces te vergemakkelijken, worden in dit artikel eerst kort vijf belangrijke factoren besproken waarmee rekening moet worden gehouden bij het specificeren van connectors voor medische hulpmiddelen. Vervolgens worden voorbeelden gegeven van connectormogelijkheden van Samtec en afgesloten wordt met een overzicht van toepassingsoverwegingen bij de integratie van connectors in hogesnelheidssystemen.

NRZ versus PAM4

NRZ zendt 1 bit informatie per signaalinterval. PAM4 is een multilevel signaalmodulatieformaat met een verwerkingscapaciteit van 2 bits per interval. In het NRZ-oog vertegenwoordigt de bovenkant "1" en de onderkant "0", terwijl het PAM4-signaal bestaat uit drie gestapelde ogen die worden gevormd door vier spanningsniveaus: 00, 01, 10 en 11 (Afbeelding 1). De hoogte van de ogen is een belangrijke overweging. De grotere ooghoogte van het NRZ-signaal leidt tot een betere signaalkwaliteit. NRZ is eenvoudiger te implementeren, heeft minder reflecties, een betere signaal-ruisverhouding (SNR) en is goedkoper in vergelijking met PAM4. PAM4 is echter inherent sneller en wordt gebruikt in hogesnelheidsverbindingen zoals multi-gigabit communicatie.

Afbeelding 1: NRZ heeft een enkel oog (links) en zendt 1 bit informatie per signaalinterval. PAM4 is een multilevel signaalmodulatieformaat met drie ogen (rechts) en heeft een verwerkingscapaciteit van 2 bits per interval. (Bron afbeelding: Samtec)

Mechanische overwegingen

Mechanische overwegingen bij de keuze van connectoren zijn contactafstand, paringstype, afsluitingsstijl en grootte (Afbeelding 2). De pitch meet de hart-op-hart afstand tussen de contacten. Het kan meer dan één getal zijn; de pitch tussen de contacten in elke rij en de pitch tussen de rijen kan gelijk of verschillend zijn. Connectors op printplaten (pc-boards) kunnen horizontale, verticale of haakse paring gebruiken. De retentiekracht is een andere factor die bepaalt hoe gemakkelijk de connector kan worden verwijderd.

Afbeelding 2: Een kleine selectie van de verscheidenheid aan beschikbare contactplaatsen, afsluitingen en afmetingen. (Bron afbeelding: Samtec)

Afsluitingen worden vaak gemaakt in doorlopende gaten, opbouw, plakbaar en perspassingen. Doorlopende contacten gaan door een gat in de printplaat en zorgen voor sterke verbindingen tussen de lagen van de printplaat. Opbouwconnectors worden op het oppervlak van de printplaat gemonteerd en vereisen geen boorgaten. Zij kunnen kleinere pitchafstanden hebben in vergelijking met doorlopende connectors. In een groeiend aantal toepassingen worden doorlopende aansluitingen vervangen door opbouwaansluitingen.

Gegoten connectors worden gemonteerd in gaten die niet volledig in de printplaat doordringen. Om te kunnen worden gebruikt voor opbouw- of plakbare constructies moet het materiaal van de connector bestand zijn tegen soldeertemperaturen en moet de connector horizontale en verticale speling rond de aansluitdraden hebben om de vereiste hoeveelheid soldeerpasta te kunnen aanbrengen.

Persverbindingen zijn soldeervrij en goedkoper, maar vereisen speciaal gereedschap voor de installatie. Zij worden in een gat op de printplaat geperst en door drukkrachten op hun plaats gehouden. Minder gebruikelijke aansluitstijlen zijn onder meer landraster-arrays, balraster-arrays, draadwikkeling, krimpen en schroefaansluitingen.

Gebruiksgemak

Contactweerstand, paringscycli en parings-/ontkoppelingskracht dragen bij tot het gebruiksgemak van connectoren in toepassingen waar connectoren regelmatig moeten worden gekoppeld en ontkoppeld. Hoe lager de contactweerstand, hoe minder stroom er door de connector verloren gaat. Een lage parings/ontkoppelingskracht kan bijdragen tot het gebruiksgemak, zolang de contactweerstand laag genoeg blijft om aan de elektrische eisen te voldoen. Connectors hebben beperkte specificaties voor parings/ontkoppelingscycli, variërend van tientallen cycli tot vele duizenden cycli. De levensduur van de connector moet worden afgestemd op de behoeften van de toepassing.

Bij het koppelen van connectorcontacten wordt het contact verplaatst, en het metaal wordt gebogen. De buiging is belangrijk en bepaalt de kracht die nodig is om de connector te koppelen en los te koppelen, en de contactweerstand. Flexie veroorzaakt ook spanningen in de contacten, waardoor zowel de parings/ontkoppelingskracht afneemt als de contactweerstand in de loop van de tijd toeneemt. Vervanging van het messing basismetaal dat gewoonlijk wordt gebruikt in connectorcontacten door duurder fosforbrons zal de levensduur verlengen. Fosforbrons is elastischer dan messing en minder gevoelig voor spanningen die de cyclusduur van bronzen contacten beperken.

IEC 60601, ISO 80369-1, en ISO 13485

Er zijn talrijke toepassingsspecifieke industrienormen voor diverse medische systemen en toestellen. Drie van de meer algemene normen die in alle ontwerpen in aanmerking moeten worden genomen, zijn:

• ISO 80369-1: richt zich op de ontwerpmethodologie om het risico van verkeerde verbindingen tussen medische hulpmiddelen, of tussen hulpstukken voor verschillende toepassingen, te verminderen.
• IEC 60601 richt zich op de algemene eisen voor basisveiligheid en essentiële prestaties, met inbegrip van elektromagnetische interferentie (EMI) en elektromagnetische compatibiliteit (EMC).
• ISO 13485 richt zich op de kwaliteitssystemen die nodig zijn voor het traceren van de onderdelen en processen die in het fabricageproces worden gebruikt. Het is verwant met ISO-9001.

Testen die verder gaan dan de industrienormen

Severe Environment Testing (SET) is een reeks tests ontwikkeld door Samtec die verder gaan dan de typische industriële normen en specificaties en omvat:

• 250 paringscycli met 100% vochtigheid
• Intense schokken en trillingen op basis van lage contactweerstand (LLCR) en detectie van gebeurtenissen
  • LLCR-tests met 40 maal de standaardpiek van de gravitatiekracht (g), 11 milliseconden (ms), halve sinus en 12 g RMS, 5 - 2000 Hertz (Hz), 1 uur/as
  • Detectie van voorvallen overeenkomstig EIA-364-87, EIA-364-27 en EIA-364-28, met gebruikmaking van dezelfde testprocedure als de LLCR-tests
• 500 temperatuurcycli
• Temperatuurtests buiten bedrijfsklasse waarbij de connector wordt getest op LLCR, gedurende 100 cycli wordt blootgesteld aan -55 tot 105 °C en vervolgens opnieuw wordt getest op LLCR; gedurende 100 cycli wordt blootgesteld aan -65 tot 125 °C en vervolgens opnieuw wordt getest op LLCR; de connector moet een LLCR-verandering van ≤ 5 milliohm (mΩ) doorstaan om te voldoen aan
• Diëlektrische weerstand tegen spanning op een hoogte van 70.000 voet
• Elektrostatische ontladingstests (ESD) worden gewoonlijk niet uitgevoerd op connectoren, maar zijn opgenomen in SET

Connectoren die 10.000 paringscycli aankunnen

Ontwerpers die tot 10.000 paringscycli nodig hebben, kunnen zich wenden tot Samtec's TFM en SFM-serie, die deel uitmaken van het Tiger Eye-interconnectiesysteem van het bedrijf. Deze connectoren zijn ontworpen voor micro, robuuste, hoog-betrouwbare, hoog-cyclus toepassingen, en zijn beschikbaar in drie pitches; 0.80, 1.27, en 2.00 millimeters (mm). Deze connectoren hebben warmtebehandelde, berylliumkoperen (BeCu) meervingercontacten die geoptimaliseerd zijn voor toepassingen met hoge cycli en ontworpen zijn voor ruwe omgevingen (Afbeelding 3). Het model TFM-105-01-S-D-A is bijvoorbeeld een header met 10 posities en 1,27 mm pitch contacten.

Afbeelding 3: Tiger Eye interconnects (links) zijn verkrijgbaar in diverse formaten en maten en bieden een robuust contactsysteem dat bestand is tegen meer dan 10.000 paringscycli. De TFM-105-01-S-D-A (rechts) is een 10-positie header met 1,27 mm pitch contacten. (Bron afbeelding: Samtec)

Door het gladde contactoppervlak wordt de beplating niet belast, waardoor de contactweerstand lager is, de beplating langer meegaat en de cyclus langer meegaat. Het soldeer kan gemakkelijk door de microsleuf op de staart dringen, waardoor de soldeerverbinding sterker wordt. Deze connectoren zijn gepolariseerd om de juiste paring te garanderen, en optionele frictiesloten verbeteren de veiligheid van de verbinding.

Hoge dichtheid, hoge-snelheidsconnectoren

Toepassingen die hoge snelheid en hoge dichtheid vereisen, kunnen gebruik maken van Samtec's SEARAY 1,27 mm open-pin field-press-fit arrays. Deze connectoren hebben tot 500 contacten die geoptimaliseerd zijn voor signaalintegriteit en zijn verkrijgbaar in verticale of rechthoekige montage-opties (Afbeelding 4). Dit systeem heeft tot 10 rijen en 50 contacten per rij om flexibele aarding en routing mogelijk te maken; keuze uit stapelhoogten van 7 mm, 8 mm, 8,5 mm en 9,5 mm; en kan signalen verwerken tot 28 gigabit per seconde (Gbits/s). Bijvoorbeeld, onderdeelnummer SEAFP-40-05.0-S-06 is een verticaal gemonteerd model met 240 contacten en doorlopende gataansluitingen.

Afbeelding 4: SEARAY 1,27 mm open-pin field-press-fit arrays met hoge dichtheid zijn verkrijgbaar in verticale en rechthoekige (zie boven) uitvoering. (Bron afbeelding: Samtec)

Aansluitingen voor PAM4 of NRZ

Toepassingen die een hogere contactdichtheid en een snelheid van meer dan 28 Gbits/s vereisen, kunnen gebruik maken van de 56 Gbit/s SEARAY-serie. Hun steek van 0,8 mm levert tweemaal de contactdichtheid van connectoren met een steek van 1,27 mm, zijn verkrijgbaar met stapelhoogten van 7 mm en 10 mm, en kunnen PAM4- of NRZ-communicatie aan. Er zijn configuraties leverbaar met maximaal 12 rijen van 60 contacten voor een totaal van 720. Deze open-pin-veld arrays bieden maximale aarding en routing-flexibiliteit, inclusief differentiële signaalparen, single-ended signaaltransmissie en stroomvoorziening (figuur 5). Onderdeelnummer SEAF8-20-05.0-S-04-2-K heeft 80 vergulde contacten en opbouwaansluitingen. Deze connectoren zijn SET gekwalificeerd.

Afbeelding 5: SEARAY open-pin-veld-arrays met hoge dichtheid bieden maximale flexibiliteit bij aarding en routing, inclusief differentiële signaalparen, single-ended signaaloverdracht en stroomvoorziening. (Afbeelding: Samtec)

Overwegingen voor toepassing van hogesnelheidsconnectors

Bij het gebruik van hogesnelheidsconnectors in medische toepassingen zijn er talrijke factoren waarmee ontwerpers rekening moeten houden in verband met signaalintegriteit en EMI, enkele van deze overwegingen zijn:

• Korter is beter. Kortere connectors leveren een betere signaalkwaliteit. Hoe korter de connector, hoe korter de tijd die beschikbaar is voor reflecties en overspraak om op te treden.
• De signaal/aardingverhouding is belangrijk. In de meeste gevallen is een verhouding van 1:1 optimaal, maar voor connectoren met een groot aantal pennen kan een verhouding van minder dan 1:1 nodig zijn voor betrouwbare werking bij hoge snelheid en single-ended.
• Aardafscherming van contactparen wordt aanbevolen voor differentiële connectoren die signalen van 2,5 Gbits/s of sneller vervoeren.
• Verkeerde uitlijning kan een groot probleem zijn bij printplaten met meerdere connectors. Volg nauwgezet de door de fabrikant aanbevolen specificaties voor aansluitingen en houd de toleranties op de diameter van de uitlijningspennen beperkt tot ± 0,05 mm.
• EMI is niet alleen een printplaat probleem. Bord-naar-bordconnectors kunnen bijdragen tot EMI-problemen en moeten vanaf het begin in aanmerking worden genomen als onderdeel van het totale ontwerp.

Conclusie

Het selecteren van connectors voor medische systemen is een belangrijke en complexe bezigheid. Connectors moeten worden geoptimaliseerd om te voldoen aan de eisen inzake mechanische duurzaamheid, betrouwbaarheid en gebruiksgemak, naast het voldoen aan de elektrische specificaties en het ondersteunen van communicatieprotocollen zoals NRZ en PAM4. Voldoen aan de relevante industrienormen is belangrijk, maar testen buiten de industrienormen, zoals met de hier genoemde Samtec apparaten, is vaak nodig om de hoge prestatieniveaus te verzekeren die verwacht worden van connectors in medische apparatuur en systemen.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Secure-by-Design medische IoT en draagbare apparaten
2. Hoe de juiste componenten selecteren en toepassen om medische hulpmiddelen, gebruikers en patiënten te beschermen
3. Hoe akoestische alarmen correct te implementeren in medische bewaking