利用緊密的撓性互連系統，設計小巧、高效能的病患監測裝置

對於多種慢性病和醫療情況進行監測的需求快速增長，這對於加速癒合、避免併發症和維持最佳健康狀態來說非常重要。典型的病患監測裝置互連系統可在內部傳輸數據 (有時包括高解析度影像)、電力和控制訊號，也可在裝置之間來回傳遞。這些系統的設計人員必須力抗多種經常互相衝突的難題，包括更小的尺寸、更多的功能組合，以及更快的數據傳輸率，因此需要更高的訊號完整性 (SI) 以及順暢的數據傳輸。

同時，儘管監測器本身很複雜且功能極具關鍵性，但裝置仍須讓病患感到舒適，而且方便保健專業人士和病患 (適用時) 使用。若採用笨重、不當或設計不良的連接器或互連元件，可能會損害這些目標，並增加不必要的成本。

若要因應這些應用需求，設計人員有多種日益精密的連接器和互連元件可供挑選。例如，根據特定應用的需求，設計人員可以選擇高密度的扁平撓性連接器 (FFC) 用於低成本的自動化組件；或在無法採用線對板解決方案時，挑選中心線間距較窄的撓性印刷纜線 (FPC)；或挑選 USB Type-C® 連接器，提供緊湊易用的高速連接。

本文將概述病患監測裝置的互連需求，檢視裝置內部的連接，以及裝置和外部世界之間的連接。接著會以 Molex 的一些 FFC、FPC 和 USB Type-C 連接器為例進行介紹，指出其主要的特點與優點，以及正確的應用。

板對板互連需求

FFC 搭配 FPC 即可支援設計人員，滿足病患監測裝置對於高密度、高速板對板互連系統的需求。其中一些連接器可用於人工和機器人組裝作業中，並採用單步驟配接以及自動鎖定機制 (圖 1)。

圖 1：FFC 和 FPC 可用於人工和機器人組裝作業中，並採用單步驟配接搭配自動鎖定機制。(圖片來源：DigiKey)

FFC 板對板連接器可用來支援高達 40 GHz 的數據傳輸率，並可提供多達 80 個連接，允許數種薄型的方向，其中包括直角和垂直，以提供靈活的設計選擇。連接間距可小於 1 mm，以支援緊密的封裝設計。為符合特定應用的需求，也有零插力 (ZIF) 和非 ZIF 的設計。

有些 FFC 的溫度規格高達 150°C，專用於搭配多種纜線選擇，包括一般 FFC 纜線、鎖定 FFC 纜線或客製化 FFC 纜線。這些連接器通常可以接受標準或屏蔽式 FFC，而接地端子可支援低電壓差動訊號 (LVDS) 等高速協定的需求。為了發揮最大效能，屏蔽式纜線應搭配具有接地端子的連接器。

將病患監測器連接到外部世界

病患監測至關重要，可讓照護人員瞭解人體對療法的反應，以減輕或修復疾病的影響或其他身體病痛。這往往需要將監測的數據傳送到監測裝置以外的設備中。

要將病患監測裝置連接到 HDMI 監視器和資料儲存系統等外部設備，USB Type-C 連接器是絕佳選擇。這些連接器具有對稱且可反轉的引腳配置，能以任一方向連接，因此兼具靈活度和易用性 (圖 2)。

圖 2：USB Type-C 連接器具有對稱和可反轉的引腳配置，兼具靈活性和易用性。(圖片來源：DigiKey)

要實作最新的 USB4 協定，需要使用 USB Type-C 連接器。USB4 以 Thunderbolt 3 介面為基礎，能將 DisplayPort 和 PCI Express (PCIe) 數據進行穿隧傳輸，並支援 20 Gbit/s 的標稱數據傳輸率，更可擴充到 40 Gbit/s。USB4 能讓多種終端裝置類型動態共用單一高速鏈路，並且依照類型和應用達到最佳化的數據傳輸。因此，採用穿隧傳輸時，標稱的 20 Gbit/s 數據傳輸率會比 USB 3.2 更高效地傳輸混合數據。

USB 電力傳輸 (PD) 協定提供高達 20 V、5 A 和 100 W 的能力，可進行充電和其他用途，包括擴大數據傳輸能力。相較於 micro USB 2.0 的 1.8 A 充電能力，USB Type-C PD 能將電池充電時間縮短 40% 至 64%。USB PD 的智慧、彈性系統級電源管理能力可支援雙向電源，可即時切換方向，因此能讓 Type-C 支援 DisplayPort、HDMI 或 PCIe 等其他標準。

快速功能切換 (FRS) 是最新版 USB Type-C PD 規格的增強功能。設計人員可以使用 FRS 降低數據遺漏的風險，並在電源線從集線器或擴充座上意外鬆脫時，讓病患監測裝置等 USB 周邊裝置保有訊號完整性。FRS 的實作時間不到 150 µs，能讓電池成為源極，另一個元件成為漏極，維持運作不間斷。數據通訊會不斷單向執行，維持系統的運作並避免突波，即使供電方向反轉亦然。

USB4 所規定的 USB PD 技術，還有另一個效能增強項目，就是可編程電源供應器 (PPS) 能力。PPS 能讓電壓和電流達到小幅度變動。如果電力漏極連接到具備 PPS 能力的電源，就可請求變更源極供應的電力。PPS 能對鋰離子電池快速充電，並改善整體系統的能源效率，進而降低熱負載，並支援更高的系統封裝密度。

醫療監測裝置用的板對板連接器

如之前所述，FFC 與 FPC 的搭配可以支援病患監測裝置設計人員的需求，以設計能支援人工或機器人組裝的高密度、高速板對板互連系統。Molex 的 Easy-On FFC/FPC 連接器系列中有個 0541324062 型號，便是不錯的例子。這款連接器有 40 個鍍金腳位，間距為 0.50 mm (圖 3)。

圖 3：Molex 的型號 0541324062 Easy-On FFC/FPC 連接器具有 40 個鍍金腳位，間距為 0.50 mm。(圖片來源：Molex)

型號 0541324062 可支援高達 10 Gbit/s 的數據傳輸率。可透過慣性確閉鎖，將纜線完整插入並穩固配接。20 N 的纜線保持力能確保達到防振和防衝擊效果。堅固的焊片能讓印刷電路板達到固定與防拉。

搭配型號 541324062 Easy-On FFC/FPC 連接器使用時，Molex 的 Premo-Flex FFC 跳線型號 0151660431 即可匹配該連接器的 40 個腳位及 0.50 mm 間距，且長度為 102.00 mm (圖 4)。如果應用空間受限或難以觸及，這款板對板互連系統可協助設計人員解決這方面的難題。

圖 4：Molex 的 0151660431 0.50 mm 間距 Premo-Flex FFC 跳線具有 40 個腳位，長度為 102.00 mm。(圖片來源：Molex)

Molex 的 Premo-Flex 跳線提供多種纜線長度、電路尺寸、間距和厚度。這些超柔韌的耐用纜線額定溫度為 105°C，可彎曲 900,000 次，相較於標準跳線則為 6,000 次。

請注意，在連接 FFC 跳線或使其脫離 Easy-On FFC/FPC 連接器時，務必確保所有連接皆已斷電，以免產生火花而導致觸點受損。另外，在開啟或關閉鎖定致動器時，致動器兩邊皆應施力。若僅一邊施力，可能會導致連接器受損。最後，將撓性纜線插入連接器時，不應拉動或拉緊纜線。否則致動器可能無法正確鎖上，導致纜線受損或切到走線。

高速外部連接

Molex 的 USB Type-C 系列 1054500101 等連接器，能支援無突波的病患監測數據傳輸，以及高訊號完整性，同時供電給裝置 (圖 5)。Molex 在 USB Type-C 連接器中採用三道嵌入式成型製程，能讓配接舌簧成為單一零件，並將進水率降到最低。額外的三道嵌入式成型製程可將端子抬起或彎曲的風險降到最低，因此可達到更高的機械耐用性，以及更高的電氣可靠性。這些連接器可提供耐用的解決方案，額定配接和斷開循環為 10,000 次，能承受不當的配接與其他濫用行為。

圖 5：1054500101 等 USB Type-C 連接器能支援無突波的數據傳輸，並可供電給醫療監測裝置。(圖片來源：Molex)

這些高效能連接器的特點如下：

• 高達 40 Gbit/s 的數據傳輸率，可支援高速網路應用
• 支援 4K 解析度的高畫質顯示器
• 具有屏蔽，可提供 EMI/RFI 防護
• 在外殼和護罩之間採用 Mylar 插頭，避免配接時發生電氣短路
• 具有穩定的電氣效能，可支援更高的電流容量，並將溫升降到最低

USB Type-C 連接器的功率容量增大，引腳間距十分緊密，因此設計人員需留意熱失控時潛在的安全危害與起火風險。在一般情況下，USB PD 的電源規則即可確保安全運作。但若連接器或纜線受損，則可能會導致運作超出安全範圍。USB Type-C 連接器和纜線的設計中經常含有過電流和過溫防護元件，以減少潛在的熱失控。

USB Type-C 纜線中包含 SuperSpeed 傳輸差動對，差動阻抗值為 90 Ω。此外，採用交替模式的設計也必須能夠應付 90 Ω。

結論

隨著病患監測需求的增加，此類系統的設計人員所需採用的連接器及相關互連佈線與跳線，必須可靠地向病患來回傳輸多種高速數據、電力與控制訊號。通常，接線必須以最低的成本在緊密空間情況下完成，同時還要確保易用性，並儘量避免影響病患的舒適度。

如本文所述，最近興起的 FFC、FPC 和 USB Type-C 連接器可應對這些挑戰，具有高效組裝、高訊號完整性以及更容易使用的優點。只要正確組合這些連接器和互連元件，設計人員就能在病患監測應用中因應其固有的複雜性，包括電氣效能到照護品質等。

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