有源醫(yī)療器械使用極為普遍，如各類(lèi)監(jiān)護(hù)設(shè)備、磁共振、心腦電圖機(jī)、輸液泵和電動(dòng)手術(shù)床等，它們都離不開(kāi)“電源”。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，醫(yī)療設(shè)備中越來(lái)越多地采用開(kāi)關(guān)電源。不僅大大的縮小了產(chǎn)品的體積，減輕重量，并極大地降低了能耗，提高了工作效率。合格的醫(yī)用電源不僅應(yīng)符合GB9706.1-2007和YY0505-2006標(biāo)準(zhǔn)的要求，還應(yīng)滿(mǎn)足GB/T17626.2-1998 (靜電防護(hù)能力，要求達(dá)到3 kV)、GB/T17626.3-1998 (射頻輻射防護(hù)，要求達(dá)到3 V/m)、GB/T17626.4-1998 (電壓瞬變承受能力，要求達(dá)到1 kV)、GB/T17626.5-1998 (網(wǎng)電涌流承受能力，要求達(dá)到1 kV和2 kV)、GB/T17625.1-2003(網(wǎng)電線路諧波要求)、GB/T17625.2-1994(電力線閃變要求)，以及EN55011等系列電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求。
目前，醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)大多采用成品開(kāi)關(guān)電源，而大部分供方企業(yè)又不能提供符合以上系列標(biāo)準(zhǔn)要求的醫(yī)用“開(kāi)關(guān)電源”，因此有必要簡(jiǎn)單介紹一下醫(yī)用“開(kāi)關(guān)電源”的EMC設(shè)計(jì)。
1 正確選用模擬與邏輯有源器件
電磁干擾發(fā)射和電磁敏感度的關(guān)鍵是模擬與邏輯有源器件的選用。
有源器件可分為調(diào)諧器件和基本頻帶器件。調(diào)諧器件起帶通元件作用，其頻率特性包括中心頻率、帶寬、選擇性和帶外亂真響應(yīng)；基本領(lǐng)帶器件起低通元件作用，其頻率特性包括截止頻率、通帶特性、帶外抑制特性和亂真響應(yīng)，此外它們還有輸入阻抗特性和輸入端的平衡不平衡特性等。必須注意有源器件固有的敏感特性和電磁發(fā)射特性。有源器件有兩種電磁發(fā)射源：傳導(dǎo)干擾通過(guò)電源線、接地線和互連線進(jìn)行傳輸，并隨頻率增加而增加；輻射干擾通過(guò)器件本身或通過(guò)互連線進(jìn)行輻射，并隨頻率的平方而增加。瞬態(tài)地電流是傳導(dǎo)干擾和輻射干擾的初始源，減少瞬態(tài)地電流必須減小接地阻抗和使用去耦電容。
模擬器件的敏感度特性取決于靈敏度和帶寬，而靈敏度以器件的固有噪聲為基礎(chǔ)。邏輯器件的敏感度特性取決于直流噪聲容限和噪聲抗擾度。邏輯器件的翻轉(zhuǎn)時(shí)間越短，所占頻譜越寬，為此應(yīng)當(dāng)在保證實(shí)現(xiàn)功能的前提下，盡可能增加信號(hào)的上升／下降時(shí)間。
2 PCB板的設(shè)計(jì)
實(shí)踐證明,即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確,印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng),也會(huì)對(duì)電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如印制板兩條細(xì)平行線靠得太近,會(huì)形成信號(hào)波形的延遲,在傳輸線的終端形成反射噪聲；另外，由于電源、地線的考慮不周而引起的干擾,會(huì)使產(chǎn)品的性能下降。因此,在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的PCB板設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)注意采用正確的方法。
每一個(gè)開(kāi)關(guān)電源都有四個(gè)電流回路:電源開(kāi)關(guān)交流回路、輸出整流交流回路、輸入信號(hào)源電流回路和輸出負(fù)載電流回路。
電源開(kāi)關(guān)交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形電流,這些電流中諧波成分很高,其頻率遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)基頻,峰值幅度可高達(dá)持續(xù)輸入/輸出直流電流幅度的5倍,過(guò)渡時(shí)間通常約為50 ns。這兩個(gè)回路最容易產(chǎn)生電磁干擾,因此必須在電源中其它印制線布線之前先布好這些交流回路。每個(gè)回路的三種主要的元件濾波電容、電源開(kāi)關(guān)或整流器、電感或變壓器應(yīng)彼此相鄰地進(jìn)行放置,調(diào)整元件位置使它們之間的電流路徑盡可能短。
輸入回路通過(guò)一個(gè)近似直流的電流對(duì)輸入電容充電，輸入濾波電容起到一個(gè)寬帶儲(chǔ)能作用?邏輯“地”。輸出濾波電容用來(lái)儲(chǔ)存來(lái)自輸出整流器的高頻能量,同時(shí)消除輸出負(fù)載回路的直流能量。所以,輸入和輸出濾波電容的接線端十分重要,輸入及輸出電流回路應(yīng)分別只從濾波電容的接線端連接到電源。若無(wú)法與電容的接線端直接相連，交流能量將由輸入或輸出濾波電容輻射到環(huán)境中。
建立開(kāi)關(guān)電源PCB板布局的最好設(shè)計(jì)流程是：放置變壓器、設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源電流回路、設(shè)計(jì)輸出整流器電流回路、連線到交流電源電路的控制電路。
3 印制線的布局
開(kāi)關(guān)電源中包含有高頻信號(hào),PCB板上任何印制線都可以起到天線的作用。印制線的長(zhǎng)度和寬度會(huì)影響其阻抗和感抗,從而影響頻率響應(yīng)，即使是通過(guò)直流信號(hào)的印制線也會(huì)從鄰近的印制線耦合到射頻信號(hào)并引起電路的問(wèn)題(甚至再次輻射出干擾信號(hào))。因此，應(yīng)將所有通過(guò)交流電的印制線設(shè)計(jì)得盡可能短而寬，將所有連接到印制線和連接到其他電源線的元器件近距離放置。布線時(shí)，還應(yīng)將電源線、地線的走向與電流的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲的能力。
4 地線的設(shè)計(jì)
4.1 選擇單點(diǎn)接地
考慮到電路各部分回流到地的電流具有差異性,地電位的變化引入干擾，接地電路形成的環(huán)流又對(duì)干擾影響較大,因而需采用單點(diǎn)接地法，使電源工作穩(wěn)定,減少自激。單點(diǎn)接地，即是將電源開(kāi)關(guān)電流回路的幾個(gè)元器件地線都連到接地腳上,輸出整流器電流回路的幾個(gè)器件的地線也接到相應(yīng)的濾波電容的接地腳上。設(shè)計(jì)中，同一級(jí)電路的接地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近,且本級(jí)電路的電源濾波電容也應(yīng)接在該級(jí)接地點(diǎn)上。
4.2 加粗接地線
接地電位則隨電流的變化而變化，若接地線過(guò)細(xì)，會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn),抗噪聲性能變壞。因此，每一個(gè)大電流的接地端都應(yīng)盡量采用短而寬的印制線。地線、電源線和信號(hào)線的粗細(xì)關(guān)系為：地線>電源線>信號(hào)線。若有可能,接地線的寬度應(yīng)大于3 mm。
有時(shí)，也可采用大面積銅層或?qū)⒂≈瓢迳衔词褂玫牟糠峙c地相連接作為地線。開(kāi)關(guān)電源“DC-DC轉(zhuǎn)換”的輸入與輸出電路應(yīng)有共同的參考地，可將兩邊地線分別鋪銅后,再連接在一起,形成共同的地。
5 共模干擾的產(chǎn)生和防止
開(kāi)關(guān)電源中的功率開(kāi)關(guān)管和輸出二極管通常有較大的功率損耗，為了散熱往往需要安裝散熱片或直接安裝在PCB板上。器件安裝時(shí)需要導(dǎo)熱性能好的絕緣片進(jìn)行絕緣,這就使器件與PCB板和散熱器之間產(chǎn)生了分布電容。開(kāi)關(guān)電源的底板如果是交流電源的地線，通過(guò)器件與底板之間的分布電容會(huì)將電磁干擾耦合到交流輸入端，產(chǎn)生共模干擾。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上，這樣就割斷了射頻干擾向輸入電網(wǎng)傳播的途徑。
6 開(kāi)關(guān)電源屏蔽罩的采用
為了抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的輻射,消除電磁干擾對(duì)其他電子設(shè)備的影響,可完全按照對(duì)磁場(chǎng)屏蔽的方法來(lái)加工屏蔽罩，然后將整個(gè)屏蔽罩與醫(yī)療器械產(chǎn)品的機(jī)殼、地連為一體,就能對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用，例如,靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場(chǎng)的干擾；電磁屏蔽用的導(dǎo)體原則上可以不接地,但不接地的屏蔽導(dǎo)體會(huì)增強(qiáng)靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負(fù)靜電屏蔽”效應(yīng),所以仍以接地為好,這樣既電磁屏蔽又能同時(shí)發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點(diǎn)與大地相連,可為信號(hào)回路提供穩(wěn)定的參考電位。因此,系統(tǒng)中的安全保護(hù)地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后,最終都與大地相連。
7 電磁屏蔽材料的選擇
選擇具有較高導(dǎo)電、導(dǎo)磁特性的材料作為屏蔽材料，也是一種減少電磁干擾的方法。
7.1 電磁密封襯墊
電磁密封襯墊的特性
1）電磁密封襯墊是一種彈性好、導(dǎo)電性高的材料，將這種材料填充在縫隙處，能保持導(dǎo)電連續(xù)性，是解決縫隙電磁泄漏的好方法。在選用電磁密封襯墊時(shí)，需要熟悉以下特性參數(shù)：
① 轉(zhuǎn)移阻抗 轉(zhuǎn)移阻抗越低，則兩側(cè)屏蔽板之間的電磁泄漏越小，加襯墊后該縫隙的屏蔽效能越高；
② 硬度 襯墊的硬度應(yīng)當(dāng)適中。硬度太低，易造成接觸不良，屏蔽效能較低；硬度太高，需要較大的壓力，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成困難；③ 壓縮永久形變 壓縮永久形變?cè)叫≡胶?；?襯墊厚度 襯墊的厚度應(yīng)能滿(mǎn)足接觸面不平整度的要求，利用其彈性將縫隙填充滿(mǎn)，達(dá)到導(dǎo)電連續(xù)性的目的。
2）常見(jiàn)的電磁密封襯墊類(lèi)型
① 金屬絲網(wǎng)襯墊 只適用于l GHz以下的頻率范圍。用金屬絲編織成的彈性網(wǎng)套，為純金屬接觸，接觸電阻低；但金屬絲在高頻時(shí)會(huì)呈現(xiàn)較大感抗，使屏蔽效能降低。② 橡膠芯編織網(wǎng)套：將金屬絲編織的網(wǎng)套套在發(fā)泡橡膠芯或硅橡膠芯上，具有很好的彈性和導(dǎo)電性。③ 導(dǎo)電橡膠襯墊 在硅橡膠內(nèi)填充金屬顆?；蚪饘俳z，構(gòu)成導(dǎo)電的彈性物質(zhì)。由于導(dǎo)電橡膠中的導(dǎo)電顆粒之間的容抗在高頻時(shí)會(huì)降低，因此，填充金屬顆粒在高頻時(shí)屏蔽效能較高。如果填充方向一致的金屬絲，還可以做到純金屬接觸，但由于金屬絲在高頻時(shí)呈現(xiàn)較大感抗，使屏蔽效能降低，所以填充金屬絲時(shí)只適用于低頻。④ 鈹青銅指形簧片 鈹青銅具有良好的導(dǎo)電性和彈性，可制成各種指形簧片。⑤ 螺旋管襯墊：用鍍錫被銅或不銹鋼做成的螺旋管，具有良好的彈性和導(dǎo)電性，是目前屏蔽效能最高的襯墊。
7.2 導(dǎo)電化合物
導(dǎo)電化合物包括各種導(dǎo)電膠和導(dǎo)電填充物。環(huán)氧導(dǎo)電膠可用于金屬之間、金屬與非金屬之間，各種硬性表面之間的導(dǎo)電粘接；可代替焊錫，完成微波器件引線連接；可修復(fù)印制板線路，用于導(dǎo)電陶瓷、天線元件、玻璃除霜、導(dǎo)電／導(dǎo)熱和微波等波導(dǎo)部件的粘接。
硅脂導(dǎo)電膠用于將彈性的導(dǎo)電橡膠粘接固定在金屬表面上。導(dǎo)電填充物是一種高導(dǎo)電漿糊狀材料，用于無(wú)法加裝屏蔽襯墊的縫隙處，固化后仍能保持彈性。
7.3 鐵氧體電磁干擾抑制元件
鐵氧體是一種立方晶格結(jié)構(gòu)的亞鐵磁性材料，它的制造工藝和機(jī)械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色。不同的鐵氧體電磁干擾抑制元件具有不同的最佳抑制頻率范圍，磁導(dǎo)率越高抑制的頻率就越低。此外，鐵氧體的體積越大，抑制效果越好。在體積一定時(shí)，長(zhǎng)而細(xì)的形狀比短而粗的抑制效果好，內(nèi)徑越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情況下，還存在鐵氧體飽和的問(wèn)題，抑制元件橫截面越大，越不易飽和，可承受的偏流越大。
鐵氧體元件廣泛應(yīng)用于印制電路板、電源線和數(shù)據(jù)線上。鐵氧體磁環(huán)或磁珠專(zhuān)用于抑制信號(hào)線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾，具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。印制板的電源線入口端加上鐵氧體抑制元件，可以濾除高頻干擾。
鐵氧體抑制元件應(yīng)當(dāng)安裝在靠近干擾源的地方，對(duì)于輸入／輸出電路，則應(yīng)盡量靠近屏蔽殼的進(jìn)、出口處。安裝時(shí)還應(yīng)當(dāng)注意，鐵氧體元件易破碎，應(yīng)采取可靠的固定措施。
以上就如何提高醫(yī)用開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)提出自己的觀點(diǎn)，如有不適之處，還望與大家共同探討。總之，研發(fā)人員要熟悉自己的產(chǎn)品特性，掌握正確的EMC的設(shè)計(jì)方法，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求考慮EMC的各項(xiàng)指標(biāo)，確保醫(yī)療器械的正常使用并能順利通過(guò)電磁兼容檢測(cè)。
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