醫用電子設備電快速瞬變脈沖群抗擾度測試模型

　　李傳喜，王春龍，吳玉娟（秦皇島市康泰醫學(xué)系統（秦皇島）股份有限公司，河北?秦皇島?066004?）

　　摘?要：分析電快速瞬變脈沖干擾產(chǎn)生機理以及電快速瞬變脈沖群抗擾度測試系統的原理，結合醫用電子設備的特性，建立醫用電子設備電快速瞬變脈沖群抗擾度測試模型，便于電子工程師根據模型有針對性的進(jìn)行電快速瞬變脈沖群抗擾度設計。

　　關(guān)鍵詞：電快速瞬變；脈沖群；抗擾度

　　0 引言

　　隨著(zhù)高速電路在醫療領(lǐng)域的廣泛應用，結合醫療領(lǐng)域使用人員與使用環(huán)境的特殊性，醫用電子設備的抗擾度問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注，因此國家制定相應的抗擾度等級要求，通過(guò)標準的抗擾度測試系統，驗證注入干擾的情況下醫用電子設備的抗擾度等級是否滿(mǎn)足市場(chǎng)要求，脈沖群抗擾度測試是最常見(jiàn)也是比較難通過(guò)的幾種抗擾度測試之一。

　　本文將脈沖群抗擾度測試系統與醫用電子設備結合，根據醫用電子設備的特點(diǎn)建立脈沖群抗擾度測試模型，通過(guò)分析干擾電流在測試模型中的路徑為電子工程師提供降低脈沖群抗擾的系統設計方法與思路。

　　1 脈沖群產(chǎn)生機理

　　一旦打開(kāi)或關(guān)閉一個(gè)載流電路的接觸點(diǎn)，在接觸點(diǎn)之間可能發(fā)生電擊穿。當接觸點(diǎn)靠近并未完全接觸時(shí)擊穿就已經(jīng)開(kāi)始，在觸點(diǎn)閉合的過(guò)程中，擊穿一直持續直到接觸點(diǎn)閉合。

　　電網(wǎng)中的感性負載存儲的能量與分布電容形成諧振，產(chǎn)生的尖峰高電壓不斷擊穿繼電器、接觸器的觸點(diǎn)間隙形成放電電弧，直到動(dòng)靜觸點(diǎn)之間的氣隙被拉大到無(wú)法擊穿。這個(gè)過(guò)程中就會(huì )產(chǎn)生一系列高壓脈沖群，即電快速瞬變脈沖群。

　　2 脈沖群抗擾度測試系統

　　為了使醫用電子設備不受脈沖群干擾的影響，國家規定醫用電子設備都需要通過(guò)脈沖群抗擾度測試，測試時(shí)醫用電子設備需放置在金屬耦合板上，并由脈沖群干擾發(fā)生器產(chǎn)生干擾通過(guò)電源線(xiàn)或一定長(cháng)度的輸入輸出線(xiàn)纜注入到設備中，干擾通過(guò)設備與金屬耦合板之間的等效電容回流到脈沖群干擾發(fā)生器。本文以L(fǎng)/N/PE線(xiàn)纜注入干擾的情況為例討論。通常脈沖群干擾發(fā)生器由高壓源產(chǎn)生的直流高壓通過(guò)充電、整形形成所需的脈沖干擾信號，脈沖干擾信號通過(guò)阻抗匹配電阻和隔直電容輸出到待測設備的L/N/PE線(xiàn)纜上，最終通過(guò)金屬耦合板回流到高壓源。故可以把脈沖群干擾發(fā)生器以及金屬耦合板等效為如圖1的等效模型。

　　3 醫用電子設備脈沖群抗擾度測試模型

　　3.1 醫用電子設備的特點(diǎn)

　　醫用電子設備通常具有患者電纜長(cháng)、產(chǎn)品類(lèi)型多樣化、敏感電路抗擾度門(mén)限低等特點(diǎn)?；颊唠娎|通常是一個(gè)系統最長(cháng)的部分，作為等效天線(xiàn)，會(huì )拾取和輻射噪聲，比如心電圖機監護儀都有較長(cháng)的患者電纜。另外醫用電子設備根據應用場(chǎng)景的需求，產(chǎn)品類(lèi)型多樣，比如網(wǎng)電源與浮地結合的設備、干電池供電設備、具有保護接地的設備、具有內部鈑金的設備。

　　3.2 脈沖群抗擾度測試模型

　　結合醫用電子設備的特點(diǎn)與脈沖群抗擾度測試系統的原理，脈沖群抗擾度測試模型等效如圖2：

　　C1~C3為脈沖群發(fā)生器耦合電容、L1為設備接地線(xiàn)等效電感、C4、C5、C6為線(xiàn)路板與設備內部鈑金的等效電容、C7為浮地電路兩端的等效電容、C8、C9為線(xiàn)纜與金屬耦合板之間的等效電容、 C10為設備內部鈑金與金屬耦合板之間的等效電容。

　　無(wú)額外接地線(xiàn)設備使用該模型時(shí)L1可認為斷路。

　　無(wú)內部鈑金設備使用該模型時(shí)，去掉C10、同時(shí)減小C4、C5、C6容值。

　　不具有患者電纜及輸入輸出線(xiàn)纜的設備使用模型時(shí)，去掉C8、C9。

　　不具有浮地應用的設備使用模型時(shí)，可認為C7短路。

　　C1-C3電容容值為脈沖群抗擾度設備內部電容容值已固定，浮地設備可根據變壓器、光耦的等效電容及跨接電容的容值確定C7數值，C8、C9可按照導線(xiàn)與金屬平面之間的電容計算公式計算等效電容，其他電容可根據兩金屬平面之間的電容計算公式計算等效電容。

　　4 醫用電子設備脈沖群抗擾度測試模型的應用

　　控制干擾電流流向，避免流經(jīng)不可預期的路徑，這是脈沖群抗擾度濾波設計的核心思想。根據醫用電子設備脈沖群抗擾度測試模型分析可知干擾電流主要回流路徑如圖3所示：

　　脈沖群抗擾度設計時(shí)，應盡量引導主要干擾能量首先按照紅色路徑回流，其次按照粉色路徑回流，避免按照藍色路徑回流，干擾信號通過(guò)粉色路徑回流時(shí)，要根據敏感設備與回流路徑的距離判斷是否有不利影響根據測試模型可得設計思路如下：

　　1）當設備具有良好接地且直接與金屬耦合板連接時(shí)，盡量使干擾通過(guò)地線(xiàn)濾除，這時(shí)應該讓地線(xiàn)盡可能短一些，目的是降低等效電感L1，L1降低根據公式R=2πfL 可知高頻下感抗值就會(huì )變小，接地線(xiàn)為干擾電流提供低阻通路，這樣干擾就在一開(kāi)始從地線(xiàn)濾除掉，即圖3紅色線(xiàn)路部分，不會(huì )經(jīng)過(guò)后邊的電路，降低了對敏感電路的干擾。

　　2）如果設備有內部金屬鈑金，則C10就會(huì )存在，它屬于金屬鈑金與金屬耦合板之間的等效電容，當等效電容較大時(shí)，由公式 R=1/(2πfC)可知，容抗會(huì )變小，那么干擾就會(huì )從這條通路流向金屬耦合板，返回到干擾源頭，避免經(jīng)過(guò)敏感電路。

　　3）當設備沒(méi)有內部金屬鈑金時(shí)，圖3中的C10就不存在了，C4、C5、C6直接與金屬耦合板相連，此時(shí)可以在A(yíng)C/DC之后C7之前的電路上串入共模電感，增大線(xiàn)路上的阻抗，使干擾盡量在紅色路徑上衰減，使干擾盡量少的通過(guò)數字電路或模擬電路。

　　4）若設備有患者電纜，比如血氧線(xiàn)纜、心電導聯(lián)線(xiàn)電纜。它會(huì )拾取空間的輻射干擾電流，同時(shí)與金屬耦合板之間會(huì )有較大的等效電容存在，如圖中的C8、C9。尤其當電纜較長(cháng)時(shí)，C8、C9的等效電容值就會(huì )增大，那么容抗R就會(huì )很小，成為干擾電流的低阻抗回路，那么干擾必定經(jīng)過(guò)了中間的模擬或數字電路，干擾路徑為圖3中藍色部分，設備就會(huì )受到影響。

　　根據醫用電子設備脈沖群抗擾度測試模型分析，電子工程師進(jìn)行脈沖群抗擾度設計時(shí)，需從干擾路徑分析，盡量在敏感電路之前濾除干擾?？赏ㄟ^(guò)電容濾波引導干擾電流的回流，串聯(lián)電感加大干擾電流的衰減，如無(wú)法避免其流過(guò)中間敏感電路，則需要設計人員增加敏感電流的自身抗擾度門(mén)限，做好敏感電路的接地設計。

　　5 結束語(yǔ)

　　本文結合醫用電子設備的自身特點(diǎn)與電快速瞬變脈沖群測試環(huán)境，提出了醫用電子設備電快速瞬變脈沖群抗擾度測試模型，該模型是一個(gè)整體的測試模型，簡(jiǎn)單直觀(guān)，可為醫用電子設備的電快速瞬變脈沖群抗擾度設計提供整體設計思路，降低設計成本與設計時(shí)間。

　　參考文獻

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　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第01期第78頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。