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밀도가 높고 유연한 상호 연결을 통해 콤팩트한 고성능 환자 모니터링 장치 설계

작성자: Jeff Shepard

Digi-Key 북미 편집자 제공

다양한 만성 질환 및 의학적 상태의 환자 모니터링이 빠르게 확산하면서, 치료를 가속화하고, 합병증을 방지하고, 최적의 건강 상태를 유지하는 것이 중요할 수밖에 없습니다. 일반 환자 모니터링 장치 상호 연결 시스템은 장치 내부에서 또는 장치 간에 데이터(고해상도 이미지 포함)를 전송하고, 전력을 공급하고, 신호를 제어합니다. 이러한 시스템의 설계자는 소형 폼 팩터, 많은 기능 세트, 더 빠른 데이터 전송률 등 높은 신호 무결성(SI)과 부드러운 데이터 전송을 요구하는 다양하고 빈번하게 충돌하는 현안 과제를 해결해야 합니다.

동시에 모니터의 내재적인 복잡성과 기능의 임계적 특성에도 불구하고, 장치는 환자에게 편안함을 주고 의료 전문가와 환자(해당하는 경우) 모두에게 간편해야 합니다. 크고, 부적절하며, 조악하게 설계된 커넥터 또는 상호 연결을 사용하면 이러한 목표를 달성하는 데 방해될 뿐 아니라 불필요한 비용이 추가될 수 있습니다.

이러한 응용 분야의 요구 사항을 충족하기 위해 설계자는 많은 정제된 커넥터 및 상호 연결을 선택할 수 있습니다. 예를 들어 특정 응용 분야의 요구 사항에 따라 설계자는 저비용 자동 조립을 위한 연성 평면(FFC) 고밀도 커넥터, 전선-기판 간 솔루션이 비현실적인 작은 중심선 간격을 갖은 연성 인쇄 케이블(FPC) 또는 콤팩트하고 사용이 간편한 고속 연결을 제공하는 USB Type-C® 커넥터를 선택할 수 있습니다.

이 기사에서는 장치 내부, 장치 간, 그리고 외부 환경에서의 연결을 중심으로 환자 모니터링 장치의 상호 연결 요구 사항을 간략히 살펴본 다음 Molex의 FFC, FPC 및 USB Type-C 커넥터를 예시로 소개하고, 주요 특징과 이점, 올바른 응용 분야에 대해 살펴봅니다.

기판 간 상호 연결 요구 사항

FFC를 FPC와 결합하면 환자 모니터링 장치를 위한 고밀도 고속 기판 간 상호 연결 시스템에 대한 설계자의 요구 사항을 지원할 수 있습니다. 일부 커넥터는 수동 조립 작업과 로봇 조립 작업 모두에 사용 가능하며, 자동 잠금 메커니즘을 사용하여 한 번에 결합할 수 있습니다(그림 1).

FFC 및 FPC 이미지그림 1: FFC 및 FPC는 수동 조립 작업과 로봇 조립 작업 모두에 사용 가능하며 자동 잠금 메커니즘을 사용하여 한 번에 결합할 수 있습니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

FFC 기판 간 커넥터를 사용하면 최대 40GHz의 데이터 전송률을 지원하고 직각, 세로 등 낮은 높이의 여러 방향에서 최대 80개의 연결을 제공하여 유연한 설계 옵션을 제시할 수 있습니다. 1mm 미만의 연결 피치로 까다로운 패키지 설계를 지원할 수 있습니다. 제로 삽입력(ZIF) 설계와 비 ZIF 설계를 사용하여 특정 응용 분야의 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

일부 FFC는 최대 온도 150°C에 대해 지정되었으며, 일반 FFC 케이블, 고정 FFC 케이블, 맞춤형 FFC 케이블 등 다양한 배선 옵션에 사용하도록 설계되었습니다. 이러한 커넥터는 경우에 따라 표준 FFC 또는 차폐 FFC를 수용할 수 있으며, 접지 단자는 저전압 차동 신호(LVDS)와 같은 고속 프로토콜의 요구 사항을 지원합니다. 최고 성능을 얻기 위해 차폐 케이블은 접지 단자가 있는 커넥터와 함께 사용해야 합니다.

외부 환경에 환자 모니터 연결

간병인은 신체가 치료에 어떻게 반응하는지 파악하여 질병 또는 기타 신체 질환의 효과를 완화하거나 회복하기 위해 환자를 모니터링해야 합니다. 또한 모니터링된 데이터를 모니터링 장치에서 외부 장치로 가져와야 하는 경우도 있습니다.

USB Type-C 커넥터는 환자 모니터링 장치를 HDMI 모니터, 데이터 스토리지 시스템과 같은 외부 장비에 연결하는 데 유용할 수 있습니다. 이러한 커넥터는 사용 편의성과 유연성을 지원하는 대칭적인 리버시블 핀아웃을 제공하므로 어느 방향에서든 연결할 수 있습니다(그림 2).

대칭적인 리버시블 핀아웃을 제공하는 USB Type-C 커넥터의 구성도그림 2: USB Type-C 커넥터는 사용 편의성과 유연성을 지원하는 대칭적인 리버시블 핀아웃을 제공합니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

최신 USB4 프로토콜을 구현하려면 USB Type-C 커넥터가 필요합니다. USB4는 Thunderbolt 3 인터페이스를 기반으로 하며, DisplayPort 및 PCI Express(PCIe) 데이터 터널을 허용하고, 20Gb/s의 공칭 데이터 전송률을 지원하며 최대 40Gb/s까지 확장할 수 있습니다. USB4는 여러 말단 장치 유형을 지원하여 유형과 응용 분야별로 데이터 전송을 최적화하는 단일 고속 링크를 동적으로 공유합니다. 따라서 터널링을 적용할 경우 공칭 20Gb/s 데이터 전송률에서 혼합 데이터 전송 시 USB 3.2에 비해 더 효율적인 처리량을 실현할 수 있습니다.

USB 전력 공급(PD) 프로토콜은 확장 데이터 전송 기능을 비롯하여 충전 및 기타 용도에 적합한 최대 20V, 5A, 100W를 제공합니다. USB Type-C PD는 마이크로 USB 2.0의 1.8A 충전 용량에 비해 배터리 충전 시간을 40% ~ 64% 단축할 수 있습니다. USB PD의 지능적이고 유연한 시스템 레벨 전력 관리 기능은 양방향 전력을 지원하여 실시간 방향 전환이 가능하며 DisplayPort, HDMI, PCIe와 같은 기타 표준에 대해 Type-C를 지원할 수 있습니다.

FRS(Fast Role Swap)는 최신 버전 USB Type-C PD 사양의 향상된 기능입니다. 설계자는 FRS를 사용하여 허브 또는 도크에서 전력 케이블이 예기치 않게 분리된 경우에도 데이터 손실 위험을 줄이고 USB 주변 장치(예: 환자 모니터링 장치)에서 SI를 유지할 수 있습니다. FRS는 150µs 내에 구현되므로 배터리를 소스로 전환하고 다른 장치를 싱크로 전환하여 중단된 작업을 유지할 수 있습니다. 데이터 통신이 중단 없이 한 방향으로 지속되므로 전력 공급 방향이 반전되더라도 시스템 작동이 유지되어 결함을 방지할 수 있습니다.

USB4 기반 USB PD의 다른 향상된 기능으로 프로그래밍 가능 전원 공급 장치(PPS)가 있습니다. PPS는 전압 및 전류를 조금씩 단계적으로 변경할 수 있습니다. 전력 싱크를 PPS 지원 전원에 연결한 경우 전원에서 공급되는 전력을 변경하도록 요청할 수 있습니다. PPS는 리튬 이온 배터리를 빠르게 충전하고 전체 시스템 전력 효율을 개선하여 열 부하를 줄이고 높은 시스템 패키지 밀도를 지원할 수 있습니다.

의료 모니터링 장치를 위한 기판 간 커넥터

위에서 설명한 대로 FFC를 FPC와 결합하면 수동 조립 또는 로봇 조립을 지원할 수 있는 고밀도 고속 기판 간 상호 연결 시스템에 대한 환자 모니터링 장치 설계자의 요구 사항을 지원할 수 있습니다. Molex의 0541324062 Easy-On FFC/FPC 커넥터 모델 라인이 좋은 예입니다. 이 커넥터는 0.50mm 피치로 금 도금된 40개 접점이 있습니다(그림 3).

Molex의 0541324062 Easy-On FFC/FPC 커넥터 모델 이미지그림 3: Molex의 0541324062 Easy-On FFC/FPC 커넥터 모델은 0.50mm 피치로 금 도금된 40개 접점을 제공합니다. (이미지 출처: Molex)

0541324062 모델은 최대 10Gb/s 데이터 전송률을 지원합니다. 전체 케이블 삽입 및 고정 결합은 포지티브 관성 잠금을 통해 구현됩니다. 20뉴턴(N) 케이블 고정력으로 내충격성과 내진동성이 보장됩니다. 강력한 납땜 탭은 인쇄 회로 기판 보존 및 스트레인 완화 기능을 제공합니다.

541324062 Easy-On FFC/FPC 커넥터 모델과 함께 사용되는 Molex의 0151660431 Premo-Flex FFC 점퍼 라인 모델은 커넥터의 40개 접점 및 0.50mm 피치와 일치하며 길이는 102.00mm입니다(그림 4). 이 기판 간 상호 연결 시스템을 사용하면 설계자가 공간 제약이 있거나 연결하기 어려운 응용 분야에서 과제를 해결하는 데 도움이 됩니다.

Molex의 0151660431 0.50mm 피치 Premo-Flex FFC 점퍼 이미지그림 4: Molex의 0151660431 0.50mm 피치 Premo-Flex FFC 점퍼는 길이가 102.00mm이고 40개 접점을 제공합니다. (이미지 출처: Molex)

Molex는 다양한 케이블 길이, 회로 크기, 피치 및 두께의 Premo-Flex 점퍼를 제공합니다. 정격 105°C의 내구성이 뛰어난 초연성 케이블은 표준 점퍼의 6,000주기에 비해 900,000주기의 유연한 수명을 자랑합니다.

Easy-On FFC/FPC 커넥터에서 FFC 점퍼를 연결하거나 분리할 경우 스파크로 인한 접점 손상을 방지하기 위해 모든 연결의 전원을 차단해야 합니다. 또한 잠금 액추에이터를 열거나 닫을 때 액추에이터의 양쪽에 모두 힘을 가해야 합니다. 한쪽에만 힘을 가할 경우 커넥터가 손상될 수 있습니다. 마지막으로 연성 케이블을 커넥터에 삽입할 때 케이블을 당기거나 비틀면 안 됩니다. 그러면 액추에이터가 제대로 잠기지 않거나, 케이블이 손상되거나, 트레이스가 잘릴 수 있습니다.

고속 외부 연결

Molex의 1054500101 USB Type-C 라인과 같은 커넥터는 장치에 전력을 공급하는 동안 결함 없는 환자 모니터링 데이터 전송 및 높은 SI를 지원할 수 있습니다(그림 5). Molex는 USB Type-C 커넥터에서 세 가지 사출 성형 프로세스를 사용하여 연결촉을 단일 부품으로 만들고 물 유입을 최소화합니다. 추가적인 세 가지 사출 성형 프로세스를 사용하여 단자가 빠지거나 휠 위험을 최소화하고 기계적 내구성과 전기적 신뢰성을 높입니다. 이러한 커넥터는 정격 10,000 결합/결합 해제 주기를 지원하여 잘못된 결합 시도나 기타 혹사에 견딜 수 있는 내구성이 뛰어난 솔루션을 제공합니다.

Molex의 1054500101 USB Type-C 커넥터 이미지그림 5: 1054500101과 같은 USB Type-C 커넥터는 결함 없는 데이터 전송을 지원하고 의료 모니터링 장치에 전력을 공급할 수 있습니다. (이미지 출처: Molex)

이 고성능 커넥터는 다음과 같은 기능을 제공합니다.

  • 고속 네트워크 응용 분야를 지원하는 최대 40Gb/s의 데이터 전송률
  • 4K 해상도 고화질 디스플레이
  • EMI/RFI 보호 차폐
  • 하우징과 셸 사이에서 마일라 플러그를 사용하여 결합 중 누전 차단
  • 높은 전류 용량과 최소 온도 증가를 지원하는 안정적인 전기적 성능

USB Type-C 커넥터는 전력 용량이 증가되었고 핀 간격이 매우 타이트하므로 설계자는 열폭주 시 안전 및 화재 위험이 있음을 잘 알고 있어야 합니다. 정상적인 환경에서 USB PD 전력 규칙은 안전 작동을 보장합니다. 하지만 커넥터 또는 케이블이 손상된 경우 안전 작동이 보장되지 않습니다. 잠재적 열폭주를 줄이기 위해 USB Type-C 커넥터 및 케이블 설계에 과전류 및 과열 보호 장치가 포함되는 경우도 있습니다.

USB Type-C 케이블의 SuperSpeed 전송 차동 회로는 90Ω 차동 임피던스를 지원합니다. 또한 대체 모드를 사용하는 설계에서는 90Ω을 처리할 수 있어야 합니다.

결론

환자 모니터링에 대한 필요성이 증가하면서 이러한 시스템의 설계자는 다양한 유형의 고속 데이터와 전력 및 제어 신호를 환자에게 안정적으로 송수신할 수 있는 커넥터와 연결된 상호 연결 배선 및 점퍼가 필요합니다. 사용 편의성을 보장하고 환자의 편의를 저해하지 않으면서 좁은 공간에서 최소 비용으로 연결해야 하는 경우도 있습니다.

위에서 살펴본 바와 같이 FFC, FPC 및 USB Type-C 커넥터의 등장으로 효율적인 조립, 높은 SI 및 뛰어난 사용 편의성을 통해 이러한 과제가 해결되었습니다. 이러한 커넥터와 상호 연결을 적절하게 조합하여 설계자는 전기적 성능부터 진료 품질까지 환자 모니터링의 내재적인 복잡성을 해결할 수 있습니다.

추천 자료

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작성자 정보

Jeff Shepard

Jeff는 30년 이상 전력 전자 제품, 전자 부품 및 기타 기술에 관한 주제로 저술 작업을 해 왔습니다. 처음에는 EETimes에서 수석 편집자로 전력 전자 제품에 대해 글을 쓰기 시작했습니다. 이후 그는 전력 전자 제품 설계 잡지인 Powertechniques를 창간했으며, 그 후 세계적인 전력 전자 제품 연구 및 출판 회사인 Darnell Group을 설립했습니다. Darnell Group의 여러 업적 중 하나로는 PowerPulse.net을 발행하여 전 세계의 전력 전자 제품 엔지니어링 커뮤니티에 매일 뉴스를 제공한 일을 들 수 있습니다. 그는 Prentice Hall의 Reston 부에서 발행한 "Power Supplies"라는 제목의 스위치 모드 전원 공급 장치 교과서의 저자입니다.

또한 고와트 스위칭 전원 공급 장치 제조업체인 Jeta Power Systems를 공동 설립했으며, 이 회사는 Computer Products에 인수되었습니다. Jeff는 또한 발명가로서 열 에너지 수확 및 광학 메타소재 분야에서 미국 특허 17개를 보유하고 있으며, 전력 전자 분야의 글로벌 트렌드에 정통하고 강연도 자주 진행합니다. 그는 캘리포니아 주립대학(University of California)에서 양적 방법론 및 수학 석사 학위를 취득했습니다.

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Digi-Key 북미 편집자