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专家总结的医疗设备中10个常见电磁兼容干扰问题

发布时间:2017-04-24 责任编辑:wenwei

【导读】以下提到的10个电磁兼容问题有些已经存在了几十年,有些是近期才出现而且今后更加常见的。所有这些问题对于医疗设备的设计是非常重要的,设计人员如果能在工作中避免出现这些问题,也就会避免更多不必要的麻烦。
 
1.设备的接地电阻过高问题
 
医疗设备的接地电阻过高被列为十大问题之首,这是因为这种故障的发生概率最高,一台设备的电磁发射问题、自兼容问题及抗干扰性问题,其根源都与设备的接地阻抗过高有关,通常这不是指普通的低频接地问题,也不是指接地场所问题,而是由于局部(如电路板或电缆)的接地阻抗过高而引起的。高阻抗的接地路径常常会导致电缆屏蔽失效并产共模电流。
 
在高频下导线和编织线大都呈现高阻抗性,因此设计人员应当避免应用导线或编织接地。根据经验,每英寸长导线的感抗为20nH。因此在,100MHz时,1英寸导线的感抗可以达到12Ω。所以,在射频情况下,应对任何长度导线的采用持慎重态度,采接地片是一个很好的办法,接地片的长宽比至少要达到5:1。也就是说,对于一个5英寸长的接地片而言,其宽度至少应为1英寸。
 
2.电缆线的屏蔽不足问题
 
当设备遇到电磁发射或射频抗干扰问题时,一般都会涉及电缆问题,电缆的接地阻抗在这里起到了很大作用。
 
“单点接地”的原则适用于低频,但对射频没有多大效果。比较棘手的事情是:由于电缆不能终止于患者的终端,因此屏蔽就不能两端接地。此外,当设备不能有效接地甚至需要维持绝缘时,采取滤波有时比屏蔽更有效。
 
在低频下,电缆的屏蔽层可以一端接地,但如果电缆的长度超过波长的l/20,电缆屏蔽层就需要两点或多点接地。这里特别要指出,当电缆长度是波长的1/4时情况将最糟。顺便提出,许多市售的电缆屏蔽层都是编织制品,这对解决射频的电磁兼容性不利。此外,电缆的屏蔽层也很容易遭到破坏。例如,有些电缆屏蔽物是由聚酯薄膜制成的,不很结实,有时即使遭受轻微触碰,也会造成屏蔽物的破裂,降低了屏蔽效果,而这种破裂很难用肉眼发现。
 
3.开关电源的发射问题
 
开关电源或AC/DC转换器的电磁发射问题由来已久,开关电源的电路构成及开关电源本身的布局和结构往往使开关电源的电磁发射成为其推广应用中的一个大问题。尽管这个问题非常普遍,但在医疗电子学中却显得尤其重要,所以在医疗设备的电源体积和质量不成问题的场合中,可以考虑采用传统的线性稳压电源。对于电源部分,体积与质量成为质量性能的关键因素,因此如何选用具有优良电磁兼容性能的开关电源便成为该医疗设备设计中的重要环节。
 
4.电源线滤波器的采用问题
 
由于医疗设备的电磁发射不局限于其内部选用的开关电源,因此电源进线部分的线路滤波器也成为抑制高频干扰的一个重要环节。在一般的电源线滤波器中都有两个共模干扰的抑制电容(Y电容),它可以使设备的共模电流得到控制,但在医疗设备的电源线滤波器中不宜用此类小电容,因为它会导致设备的泄漏电流过大。医疗设备对电源线滤波器的这一选择原则使设计人员失去了一个抑制共模电流的有效手段,剩下来的唯一可用手段就是加大电源线滤波器中串联电感的阻抗。
 
要想设计一个优良的电源线滤波器,滤波器的线路设计仅仅是很小的一部分,滤波器内部元器件的选型、滤波器内部布局和结构及滤波器内部元件的分布参数,才是决定电源线滤波器性能真正的关键因素。
 
5.液晶显示器的电磁发射问题
 
随着计算技术的发展,在医疗设备中采用单片机进行控制的情况越来越多,在设备的面板上采用液晶显示器作为人机对话界面的情况也越来越多,液晶的应用也带来了液晶显示器的电磁发射问题。
 
液晶显示器通常由电路板上专门引出的一根排线所驱动,由于液晶显示器的高阻抗特点,使送到液晶显示器的信号电流不可能完全返回到这根电缆中,其中的一小部分会形成电磁辐射进入周围的电磁环境。
 
为了抑制液晶显示器的电磁发射问题,首先需要利用尽可能短的回路将信号电流全部返回到驱动电路板中。一个比较好的方法是通过在排线下面设置一个接地片,用以降低信号电流返回路径中的阻抗。另外,作为液晶显示器结构的一部分,在液晶显示器的背面要设一个金属外壳的4个角都要接地。
 
专家总结的医疗设备中10个常见电磁兼容干扰问题
 
6.设备内部线路的相互藕合问题
 
在高频状态下,设备内部线路之间会有一个相互藕合的问题,因此线路的布局不当,特别是对患者检测信号输入线路的布局不当,常常是导致医疗设备设计成败的两种截然不同的结果的直接原因。
 
在处理设备的电磁兼容上出现的问题时,常常会将电感器或铁氧体磁芯置于线路的输入与输出之间,用以抑制设备内部和外部的射频干扰,这样一来就使朝向噪声源这一端的电感器带有相当大的高频电压。这种高频电压可通过电容性的耦合而作用到附近的金属性物质上,如接地层、电路板、散热器等。因此,在采用这种处理干扰的抑制方案时要十分小心,要避免与一些敏感器件或敏感电路产生耦合。
 
另外,在用铁氧体磁芯吸收线路上的干扰时,将铁芯体磁芯放在连接线路的外部要比把它布放在电路板的效果会明显一些。因为这种方式可避免干扰在磁芯后面的连接线路与敏感线路的耦合问题。
 
7.元器件的分布参数问题
 
在医用设备中,所选用的元器件本身的缺陷也会限制其性能的发挥。我们知道,所有的电容器都存在寄生的串联电感,两者构成了一个串联谐振电路:而所有的线绕电感器都存在绕组匝间和层间的分布电容,两者构成了一个并联谐振电路,这种电路的谐振频率比想像中的频率要低得多。例如,许多电容器的谐振频率低于100MNz;许多线绕电感器的谐振频率低于20MHz,至于变压器的谐振频率更有低于5MHz以下者。因此,电路设计人员要充分了解这些元器件的实际性能,无论滤波器还是退耦元件,它们都具有在谐振状态下工作的可能性,这将导线线路与线路之间的串扰问题,这种串扰不但能对线路造成损坏,还能导致信号传输情况变得非常糟糕。
 
8.信号传输中的阻抗不连续问题
 
随着高速数字电路的广泛应用,印制电路板中的电磁兼容问题显得越来越重要,而许多PCB问题可归纳为信号传输过程中的阻抗不连续问题。
 
信号传输中的阻抗不连续问题始终围绕着信号的流通回路,理想中是信号沿着一条线路流出,然后迅速沿着接地回线流回。然而根据物理学中最小能量的消耗定律,电流通常是沿着最小能量路径返回,这时信号的返回通路常常会出现阻抗不连续的情况,一旦这种情况发生,就会引起信号的反射,造成传输信号的畸变。另外,在传输线路的不连续处,还会导致辐射发射问题。
 
9.信号及其返回通路问题
 
对于设备的布线,人们往往认为即使多用一根接地返回线路也会是一种浪费。由于多数信号线与接地回路之间距离过远,因此一根接地回线要作为多跟信号线,甚至所有信号线的接地问线。这时,这根接地回线至少存在两个问题。首先,由于这根接地回线与大部分信号线之间的距离都比较远,信号线与接地回线之间构成的环天线就比较大,环天线对外的辐射发射及环天线对外界电荷干扰的接收问题都不容忽视;其次,这根信号线共用接地回线的公共阻抗问题不容忽视,特别是在信号线上传输的信号速度较高,信号的边沿比较陡时,公共阻抗的相互干扰问题尤其严重。
 
实用中传输线路究竟需要多少根接地返回线路才算适当,这要由数据的传输速率及传输线路的长度来决定。对于信号一超过100MHz的高速传输,建议采用一根信号对一根接地的返回线路,而对于小于10MHz的低速传输,可以折中采用两根(或多根)信号对一根接地的返回线路。
 
10.设备外壳的静电放电问题
 
静电放电是一个经常发生而且让人感到头痛的问题。以塑料外壳的医疗设备为例,为了降低塑壳设备的电磁发射和提高塑壳设备的抗射频干扰能力,设计人员会在塑料外壳上进行导电喷涂。为了使导电喷涂的效果明显,通常要求对塑壳结合部位的缝隙全部进行喷涂,以求达到结合而生几的传导连续性,但是这种做法又造成了新的静电放电接触点。也就是说,设计者在解决一个问题的同时却又引进了一个新的、非常棘手的问题。
 
为了解决上述问题,设计人员可以有三种选择:重新设计线路及内部布局,尽量降低设备对导电喷涂的需要;重新对设备外壳进行喷涂,尽量避免产生放电,特别仔细地使用遮蔽物,使可能产生放电的缝隙得到保护。
 
上面提到的10个电磁兼容问题有些已经存在了几十年,有些是近期才出现而且今后更加常见的。所有这些问题对于医疗设备的设计是非常重要的,设计人员如果能在工作中避免出现这些问题,也就会避免更多不必要的麻烦。
 
以上内容转载自电磁兼容之家微信公众号,版权归原作者所有。
 
 
 
 
 
 
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