隨著許多慢性病和身體狀況監(jiān)護需求的增加，病人監(jiān)護設(shè)備的使用正在迅速擴大，因為它們對加速愈合、避免并發(fā)癥和保持最佳健康狀態(tài)至關(guān)重要。典型的病人監(jiān)護設(shè)備互連系統(tǒng)會在設(shè)備內(nèi)部以及在設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)（有時包括高分辨率圖像）、電源和控制信號。這些系統(tǒng)的設(shè)計者必須應(yīng)對眾多而且往往是相互沖突的挑戰(zhàn)，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(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞌?shù)據(jù)速率。

同時，這些設(shè)備必須讓病人感到舒適，盡管監(jiān)護儀固有的復(fù)雜性及其功能的關(guān)鍵性，但要對醫(yī)護人員和病人都易于使用（在適當(dāng)?shù)臅r候）。使用設(shè)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(biāo)并增加不必要的成本。

為了滿足這些應(yīng)用的要求，市場為設(shè)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(jù)具體應(yīng)用的需求，設(shè)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(jiān)護設(shè)備的互連需求，探討了設(shè)備內(nèi)部以及設(shè)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(yōu)點以及如何正確應(yīng)用。

板對板互連需求

FFC 與 FPC 的結(jié)合可以支持設(shè)計者對病人監(jiān)護設(shè)備的高密度和高速板對板互連系統(tǒng)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）。

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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(shù)據(jù)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(shè)計選擇。連接間距可以小于一毫米 (mm)，以支持窄封裝設(shè)計。提供零插入力 (ZIF) 和非 ZIF 設(shè)計，以滿足特定應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)或屏蔽式 FFC，而且接地終端支持高速協(xié)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(yīng)與具有接地端子的連接器一起使用。

將病人監(jiān)護儀連接到外部世界

病人監(jiān)護對于護理人員來說可謂是至關(guān)重要，因為幫助他們了解人體對減輕或修復(fù)疾病或其他身體疾病影響的療法的反應(yīng)。這往往需要將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)送到監(jiān)護設(shè)備之外的設(shè)備上。

USB Type-C 連接器可以成為將病人監(jiān)護設(shè)備連接到外部設(shè)備（如 HDMI 顯示器和數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)）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）。

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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(xiàn)最新的 USB4 協(xié)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(shù)據(jù)進行隧道傳輸，并支持每秒 20 吉比特 (Gbits/s) 的標(biāo)稱數(shù)據(jù)速率，并可擴展到 40 Gbits/s。USB4 具有多個終端設(shè)備類型動態(tài)共享單一高速鏈接的能力，可以按類型和應(yīng)用優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸。因此，與 USB 3.2 相比，當(dāng)采用隧道技術(shù)時，發(fā)送混合數(shù)據(jù)時的標(biāo)稱 20 Gbit/s 數(shù)據(jù)速率可以帶來更高的有效吞吐量。

USB 供電 (PD) 協(xié)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)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(guī)范中的一項改進。設(shè)計者可以使用 FRS 來降低數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)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(jiān)護設(shè)備這樣的 USB 外設(shè)的信號完整性。FRS 在 150 微秒 (μs) 內(nèi)實現(xiàn)，使電池成為源極，其他設(shè)備成為漏極，并保持不間斷運行。數(shù)據(jù)通信在單一方向上不間斷地繼續(xù)進行，即使電源方向逆轉(zhuǎn)，也能保持系統(tǒng)運行并防止出現(xiàn)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(xiàn)了電壓和電流的小步調(diào)節(jié)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(xiàn)鋰離子電池的快速充電，提高整個系統(tǒng)的功率效率，從而減少熱負(fù)荷，并支持更高的系統(tǒng)封裝密度。

用于醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備的板對板連接器

如上所述，F(xiàn)FC 與 FPC 的結(jié)合滿足了病人監(jiān)護設(shè)備設(shè)計者對高密度和高速板對板互連系統(tǒng)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）。

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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(shù)據(jù)速率。通過主動慣性鎖定實現(xiàn)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(yīng)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(tǒng)可以幫助設(shè)計者解決空間受限或難以伸手操作的應(yīng)用中的挑戰(zhàn)。

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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(biāo)準(zhǔn)跳線為 6,000 次。

請注意，當(dāng)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(chǎn)生火花而損壞觸頭。另外，在打開或關(guān)閉鎖緊器時，應(yīng)在鎖緊器的兩邊同時用力。只對一側(cè)用力可能導(dǎo)致連接器損壞。最后，當(dāng)把柔性電纜插入連接器時，電纜上不應(yīng)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。

高速外部連接

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(jiān)護數(shù)據(jù)傳輸和高信號完整性，同時可向設(shè)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(fēng)險降至最低，從而實現(xiàn)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(dāng)插入嘗試和其他濫用。

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圖 5：像 1054500101 這樣的 USB Type-C 連接器可以支持無故障數(shù)據(jù)傳輸，并為醫(yī)療監(jiān)護設(shè)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(shù)據(jù)速率，支持高速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用
· 支持 4K分辨率高質(zhì)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(xiàn)電短路。
· 穩(wěn)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(xiàn)了較小的引腳間距，這意味著設(shè)計者需要注意熱失控時的潛在安全和火災(zāi)危險。正常情況下，USB PD 電源規(guī)則確保了安全運行。然而，連接器或電纜的損壞會導(dǎo)致出現(xiàn)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(shè)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(shè)計也必須能夠處理 90 Ω。

結(jié)語

隨著人們對病人監(jiān)護需求的增加，這類系統(tǒng)的設(shè)計者需要連接器和相關(guān)互連電纜與跳線能夠可靠地將多種類型的高速數(shù)據(jù)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，F(xiàn)FC、FPC 和 USB Type-C 連接器的出現(xiàn)，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(zhàn)。只要恰當(dāng)?shù)亟M合使用這些連接器和互連器件，設(shè)計者就可以解決病人監(jiān)護從電氣性能到護理質(zhì)量的固有復(fù)雜性。

來源：Digi-Key
作者：Jeff Shepard

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)傳輸 電氣性能 提供電源 外部世界