醫療電子設備設計人員要了解的電磁兼容

醫療電子設備的設計人員面臨著(zhù)新的挑戰。生產(chǎn)廠(chǎng)商越來(lái)越重視如何使高靈敏度設備對瞬態(tài)干擾和射頻干擾具有抗擾性。另外,發(fā)射也是一個(gè)重要的問(wèn)題,尤其是使用高速時(shí)鐘電路的設備。高靈敏度模擬電路由于受到漏電流的限制和機箱表層的特殊處理要求,導致很多模擬電路儀器中的放大器和比較器電路在輻射場(chǎng)小于1V/M時(shí)停止工作。

病人界面上的漏電流限制,使信號電纜解耦和屏蔽等典型的電磁兼容設計技術(shù)不再適用于醫療設備。這個(gè)問(wèn)題推動(dòng)了有效的加固方法的發(fā)展。關(guān)鍵點(diǎn)經(jīng)常在印刷電路板布局和內部連接的選擇上。用傳輸線(xiàn)和高頻阻抗控制等方法經(jīng)?？梢垣@得滿(mǎn)意的電磁兼容解決結果,這一點(diǎn)滴使對于低頻模擬電路也是正確的。

1． 保護評估:

了解需要保護的程度,比如箱體、電纜屏蔽、電路濾波和給定的電路要滿(mǎn)足的要求是最重要的。下面給出一種估算的方法:

1） 首先確定射頻干擾量級,單位用V/m（例如3V/m）;

2） 乘以預期的均勻場(chǎng);當在全鐵氧體布置的房間內試驗時(shí),乘以2;當在半無(wú)反射室中試驗時(shí),乘以4。（本例中。假定全鐵氧體布置的房間,乘以2,產(chǎn)生6V/m場(chǎng)）

3） 將場(chǎng)強的單位轉換成分貝（6V/m=136dBuV/m）

4） 對于雙調諧偶極子天線(xiàn)間的耦合,扣除基本調諧偶極子天線(xiàn)的損耗因子,大約14dB;

5） 如果頻率在電纜、PCB走線(xiàn)或設備尺寸（20log10（f3/f0）,式中f3是電纜、PCB走線(xiàn)、設備長(cháng)度的四分之一波長(cháng)頻率）的諧振長(cháng)度以下,則要減去理想損耗（-20lg（f3/f0））。比如,36英尺長(cháng)的電纜,其四分之一波長(cháng)諧振頻率是83.3MHz。如果f0是26MHz,那么則應減去10dB。

6） 在100的負載電阻上得到的數值為136-14-10=112dBuV 。

7） 將112 dBuV轉換成線(xiàn)性單位,這將產(chǎn)生一個(gè)400mV的感應電壓。隨著(zhù)負載阻抗的增加,感應電壓也增加。對于100K的負載,電壓將差不多增加2V。

8） 對于帶內頻率,將典型電路的帶內噪聲域值與0.4-2V相比。此例中,假定26MHz在放大器的有效帶寬內,那么可用電路的噪聲域值,比如5mV,直接與干擾值相比,就得到了必需的保護水平。在這個(gè)例子中,所需的保護在20 lg（0.4/0.005）到20 lg（2/0.005）。

以上僅是個(gè)近似值,建議采取嚴格的分析方法。但通過(guò)以上的評估,對包需的保護環(huán)節的一個(gè)大致的了解。

2． 電路響應:

眾所周知,放大器對26MHz的干擾的響應似乎不合情理,但是,IC芯片內部的保護二極管能夠對帶外射頻感應信號進(jìn)行直流整流,引起放大器發(fā)生直流偏置,并使其進(jìn)入飽合狀態(tài)。另一個(gè)可能是二極管的非線(xiàn)性阻止了射頻干擾,但允許對載波進(jìn)行調制,使其與所期望的信號一致。

加固模擬電路的方法如下:

1） 把所有電路視為射頻電路。不管工作頻率如何,均視為高頻電路,并正確對其進(jìn)行加固以防止高頻干擾。-將電纜屏蔽層單端接地的做法雖然能夠防止電路受到低頻地環(huán)路的影響,但會(huì )使電纜受到四分之一波長(cháng)頻率以上的頻率的遠場(chǎng)感應電壓的影響。必須使射頻防護措施地整個(gè)試驗頻段內（150KHz~1GHz）都有效。

2） 僅在一端接地屏蔽。在高頻時(shí),干擾差不多都是以共模形式出現或在元件引腳至地（機殼）之間,而元件引腳與引腳之間則沒(méi)有。因此,元件引腳至地的回路需要加以處理。在高頻時(shí),外部電場(chǎng)地屏蔽電纜上感應出電流。電流的電主的最大值出現地四分之一波長(cháng)為電纜長(cháng)度的頻率點(diǎn)上。在電纜諧振頻率以上,電纜的屏蔽層開(kāi)始失效。

3） 屏蔽體兩端接地。如虹電纜屏蔽層在兩端接地,其主要受干擾頻率將發(fā)生在半波長(cháng)等于電纜長(cháng)

度的頻率上。本例中為150MHz。如果屏蔽層的接地端不是同軸方式,而是依靠小端接,則在諧振頻率的奇數倍的頻率上,屏蔽將失去作用。單根小辮的屏蔽層端接地意味著(zhù),最大的半波電流將僅通過(guò)小辮流動(dòng),而在小辮的周?chē)a(chǎn)生極強的磁場(chǎng)。

4） 地端接同軸電纜屏蔽層。只有使屏蔽層上的電流通過(guò)多點(diǎn)接地,這些電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)才會(huì )相互削弱,從而保護連接器中的信號針。所的連接器應是金屬的,并應通過(guò)直接的金屬與金屬接觸連接到機箱上（連接器和機箱都應是導電光潔表面）。應使用屏蔽護套。例如常用的D型連接器。最好使用鍍錫的“壓紋”D型連接器。

5） 將屏蔽與非屏蔽引線(xiàn)安排到不同的連接器中。所的資金積累用濾波的方式來(lái)加固的信號插針應布置在一個(gè)連接器中。連接器中的所有插針都應濾波。各濾波電容的容量差別不超過(guò)10倍。屏蔽的百屏蔽引線(xiàn)不要穿過(guò)同一連接器。所的屏蔽引線(xiàn)應綁扎在一起。這樣它們可采用標準地端接法來(lái)處理。對于多層屏蔽電費可通過(guò)一金屬導電帶短接在一起,或者使用專(zhuān)門(mén)的連接器護套,將每一層屏蔽都連接到連接器的外殼上。

3． 濾波電容值。

如果在信號引線(xiàn)上采用線(xiàn)到機殼的濾波,那么其電容量會(huì )受到允許的泄漏電流的限制。濾波器中的共模電感的電感量如果較大,則電容的容量可以小些,同時(shí)仍然能夠滿(mǎn)足大多數電路所需要的低通濾波插損值。

1） 對低頻模擬電路采用紡織網(wǎng)屏蔽電纜。通常模擬電路設計人員們有一個(gè)共識:屏蔽電費的屏蔽層只能在一端接地。這樣做的目的上防止屏蔽層中的地環(huán)路電流會(huì )在負載電阻上感應出噪聲電壓。絞線(xiàn)可以有效減小“地環(huán)路”磁場(chǎng)耦合。因此,為了提高靈敏模擬電路的抗擾性,應采用每英尺18絞距的雙絞線(xiàn)屏蔽電纜,并且屏蔽層兩端接地。

2） 內部I/O信號盡量在PCB 上傳輸,而不是通過(guò)引線(xiàn)。連接器上出來(lái)的引線(xiàn)應通過(guò)線(xiàn)路板上的直線(xiàn)傳輸。好,這些直線(xiàn)直接連到I/O連接器的針上。這樣,信號直線(xiàn)可以獲得最大的共模阻抗,從而減小高頻于擾耦合。

4． PCB設計

正如數字電路的線(xiàn)路板一樣,PCB設計時(shí)應設置完整的地面和電源面,所的地線(xiàn)面應該連在一起。這些地線(xiàn)面應通過(guò)電容接到機殼,其電容值根據機箱允許的泄漏值來(lái)確定。接地關(guān)鍵是地回路必須具有最小的電感。要是使用直流接地,電源地應相對于機殼浮起來(lái),而僅在母板可底板上通過(guò)一點(diǎn)與機殼連接在一起。

5． 瞬態(tài)干擾

通常,靜電放電和電快速瞬變脈沖群對數字電路的危害大于對模擬電路的影響。靜電放電在5~200MHz的頻率范圍內產(chǎn)生強烈射頻輻射.此輻射能量的峰值經(jīng)常出現在35MHz~45MHz之間發(fā)生自激振蕩.許多I/O電纜的諧振頻率也通常在這個(gè)頻率范圍內,結果,電纜中便串入了大量的靜電放電電輻射能量.

當電纜暴露在4~8KV靜電放電環(huán)境中時(shí),I/O電纜終端負載上可以測量到的感應電壓可達到

600V。這個(gè)電壓遠遠超出了典型數字的門(mén)限電壓值0。4V。典型的感應脈沖持續時(shí)間大約為400ns。將I/O電纜屏蔽起來(lái),且將兩端接地,使內部信號引線(xiàn)全部處于屏蔽層內,可以減小干擾60~70Db。負載上的電感電壓只有0。3V或更低。

電快速瞬變脈沖群也產(chǎn)生相當強的輻射發(fā)射,從而耦合到電 的機殼線(xiàn)路。電源線(xiàn)濾波器可以對電源進(jìn)行保護。線(xiàn)——地之間的共模電容是抑制這種瞬態(tài)干擾的有效器件,它使干擾旁路到機殼,而遠離內部電路。當這個(gè)是容的容量受到泄漏電流的限制而不能太大時(shí),共模扼流圈必須提供更大的保護作用。這通常要求使用專(zhuān)門(mén)的帶中心抽頭的共模扼流線(xiàn)圈,中心抽頭通過(guò)學(xué)習一只電容連接到機殼。共模扼流圈通常在高導磁率鐵氧體芯上,其典型電感值為15~20Mh。

6． 結論

實(shí)現電磁兼容的最好辦法將所的數字及模擬電路均視為高頻響應信號響應電路,用高頻設計方法來(lái)處理PCB布線(xiàn)和共模濾波。采用整塊地平面

和電源面也很重要,對模擬電路也該如此,這樣做有利于限制高頻共模環(huán)路。大多數瞬態(tài)干擾均屬于高頻,并產(chǎn)生很強的輻射能量。通常,該輻射能量通過(guò)I/O電纜耦合進(jìn)入設備。一般情況下是通過(guò)模擬線(xiàn)路串入設備,然后再次耦合到高速數電路,使其產(chǎn)生誤動(dòng)作。通過(guò)對所有模擬和數字電路的引線(xiàn)進(jìn)行濾波,便可對這些電路進(jìn)行保護。

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