電快速瞬變脈沖群重復頻率研究

劉萌，李慶雨，張淑溢，施燕平

山東省醫療器械產品質量檢驗中心 電磁兼容室，山東 濟南 250101

引言

隨著電子技術的迅猛發展，電子產品的研發升級速度不斷提高，越來越多的電子產品進入到我們的工作生活中來，作為與人類生命健康安全息息相關的有源醫療器械產品，其發展則更為迅猛，并朝向小型化、智能化和集成化方向發展，但由此帶來的電磁兼容問題也越來越突出。電快速瞬變脈沖群測試是醫用電氣設備標準YY 0505-2012以及體外診斷設備標準GB/T 18268.26-2010等有源醫療器械產品電磁兼容標準中規定的一項抗擾度測試，通過這項測試可以保證這些醫療器械產品在存在瞬變騷擾的電磁環境下能夠正常工作。

但是，現有的標準中對重復頻率的選擇和確定存在不統一和不確定的情況。標準YY 0505-2012對于施加的電快速瞬變脈沖群重復頻率并沒有做出明確規定；而標準GB/T 18268.26-2010只規定進行5 kHz重復頻率的電快速瞬變脈沖群測試[1]。在實際測試過程中，電快速瞬變脈沖群的重復頻率確定對于有源醫療器械電磁兼容檢驗人員是一個需要解決的問題，對于企業研發和用戶使用也有重要意義。

1 標準分析

現行的醫用電氣設備電磁兼容測試產品類標準YY 0505-2012對于電快速瞬變脈沖群的測試只規定了交流和直流電源線的抗擾度試驗電平、患者耦合電纜的布置和干擾施加情況、模擬手的使用情況以及試驗時受試設備（Equipment Under Test，EUT）的輸入電壓等情況[2]，對于測試中所需要使用的重復頻率并沒有給出明確的數值，因此在測試過程中需要根據基礎標準來確定重復頻率的大小；體外診斷設備電磁兼容測試標準GB/T 18268.26-2010僅規定了進行5 kHz重復頻率的電快速瞬變脈沖群試驗[1]。

根據現行基礎標準GB/T 17626.4-2008中的規定，EUT在進行電快速瞬變脈沖群測試時，試驗所施加的脈沖群重復頻率為5 kHz或100 kHz，并注明“傳統上用5 kHz的重復頻率，然而100 kHz更接近實際情況[3]”。標準IEC 61000-4-4-2012和即將實施的GB/T 17626.4-2018中對于重復頻率的要求沒有變化，仍然要求進行5 kHz或100 kHz重復頻率的電快速瞬變脈沖群試驗[4-5]。已經廢止的標準GB/T 13926.4-1992指出，實際出現的脈沖群現象，其單個脈沖的重復率為10 kHz～1 MHz。然而廣泛調查的結果表明，采用固定調節發生器難以再現這種相當高的重復頻率[6]。由此可以看出，實際存在的脈沖群重復頻率范圍較廣，但是受限于當時的技術手段，無法實現高頻率的模擬器，只試驗了傳統上的5 kHz頻率。

重復頻率100 kHz相對于5 kHz，雖然頻率增加了20倍，但是脈沖群的持續時間卻縮小為原來的1/20，而且一個周期內脈沖群的總個數都為75個，因此總的干擾能量并沒有發生變化。考慮到國外專家對脈沖群試驗的故障機理解釋為“干擾脈沖對線路結電容的充電，脈沖頻率越高，單位時間內的脈沖個數越多，對結電容的電荷積累也越快，越容易達到線路出錯的閾值[7]”。從這個方面來考慮，進行100 kHz重復頻率的電快速瞬變脈沖群試驗相比較5 kHz重復頻率更加嚴酷。

由以上分析可以看出，由于以前受元器件及生產工藝的影響，無法產生高重復頻率的脈沖群，而現在隨著技術革新，這些制約已經或者即將被解決。那么根據現行標準的規定，在進行電快速瞬變脈沖群測試時則需要考慮5 kHz和100 kHz重復頻率對于測試結果的影響。

2 干擾原理

脈沖群中單個脈沖波形可以近似認為是梯形波，梯形脈沖串的高頻分量主要取決于脈沖的上升和下降時間[8]。而脈沖群中單個脈沖的上升時間非常短，一般只有5 ns，半寬為50 ns。通過傅里葉分析可知，這種脈沖會產生非常寬的頻譜，并且包含豐富的高頻分量，幅度較大的諧波頻率至少達到60 MHz以上[9]。如果使用頻譜分析儀進行測試，這些頻譜非常寬，達到幾百MHz[10]，而這種脈沖又以較低的頻率重復，因此在較低的頻率范圍內也具有較大的能量[11]。由梯形波的頻譜分析以及單個脈沖的脈沖參數可知，大于100 MHz的諧波分量的衰減速度很快，因此電快速瞬變脈沖群的騷擾波形的頻譜主瓣在100 MHz以內[12]。電快速瞬變脈沖群試驗要求電源端口受試線纜長度為0.5 m，按照等效天線的理論進行分析，在100 MHz頻率以內，受試線纜也有一定的空間輻射能力。因此電快速瞬變脈沖群沿線纜進行傳輸時，會有一部分干擾能量從線纜向周圍空間輻射，從而進入EUT，這樣EUT最終受到的是傳導和輻射的復合干擾[13]。

3 測試分析

為了驗證不同的電快速瞬變脈沖群測試重復頻率對于EUT的影響，選取了特定的幾個樣品進行試驗，所選取的樣品見圖1和表1。

試驗選用的測試平臺為瑞士TESEQ公司生產的型號為NSG3040的多功能瞬態抗擾度測試主機。主機能夠產生正負兩種極性：200～4800 V的脈沖群幅值和100 Hz～1000 kHz的脈沖群頻率，0°到359°的相位同步的電快速瞬變脈沖群，并支持1 s到1000 h的試驗持續時間，能夠滿足試驗的全部需求。

3.1 高頻電刀

選取某廠家高頻電刀進行試驗，按照標準規定對高頻電刀進行布置并分別對高頻電刀進行5 kHz和100 kHz重復頻率的電快速瞬變脈沖群試驗。試驗結果發現，在進行5 kHz重復頻率測試時，高頻電刀發生誤動作的現象，而進行100 kHz重復頻率測試時則無任何異常狀況發生。對高頻電刀進行原理分析和電路排查，發現發生誤動作的原因是由于高頻電刀的腳踏供電線纜距離驅動繼電器的三極管比較近，電快速瞬變脈沖群從電源模塊串擾到腳踏供電線纜，并最終對繼電器造成影響。而腳踏供電線纜的長度為2.9 m，根據串擾以及等效天線的原理，長度越長，對于低頻信號的感應越強烈，而腳踏供電線纜的長度剛好對于5 kHz重復頻率的電快速瞬變脈沖群干擾比較敏感，導致繼電器只在進行5 kHz重復頻率的電快速瞬變脈沖群試驗時發生誤動作。

圖1 選取樣品照片

表1 選取樣品及測試信息

3.2 輸液泵

選取某廠家輸液泵分別進行5 kHz和100 kHz重復頻率的電快速瞬變脈沖群試驗。試驗結果發現，在進行100 kHz重復頻率測試時，輸液泵的滴液傳感器發生誤計數的現象，誤計數的頻率大約為3 Hz，而進行5 kHz重復頻率測試時則無異常現象。電快速瞬變脈沖群的兩組脈沖群之間的時間間隔為300 ms，也就是頻率為3.3 Hz，與滴液傳感器受到干擾導致誤計數的頻率比較接近。分析可知，滴液傳感器受到電快速瞬變脈沖群的干擾信號，從而發生誤計數的現象。

3.3 心血管系統狀態監測儀

選取某廠家心血管系統狀態監測儀進行試驗，分別對監測儀進行5 kHz和100 kHz重復頻率的電快速瞬變脈沖群試驗。試驗結果發現，在進行5 kHz重復頻率測試時，心電波形發生紊亂，而進行100 kHz重復頻率測試時則無任何異常狀況發生。在與廠家進行溝通并實際拆機驗證后得知，此監測儀為了避免高頻信號對于自身采集信號的影響，在信號處理部分增加了一個10 kHz～10 MHz的帶阻濾波器，對于100 kHz重復頻率的脈沖群能夠很好的進行濾除，而對于5 kHz重復頻率的干擾信號則不能起到有效的抑制作用。

3.4 電解質分析儀

選取兩個廠家兩種型號電解質分析儀進行測試，在進行5 kHz和100 kHz重復頻率電快速瞬變脈沖群測試時，其中一個廠家的電解質分析儀在兩種重復頻率下都出現取液盤轉動錯誤導致吸樣失敗的現象，另一型號樣品在測試過程中無任何異常狀況。在對兩廠家的樣品進行拆解后發現，兩廠家的電解質分析儀從元器件選型、走線方式、驅動模塊等都有很大差異，而出現吸樣失敗的原因就是由于驅動模塊受到干擾，而這種干擾主要是通過電源線的傳導路徑進入到機器內部而導致的。

3.5 重復性測試

對以上四種樣品，按照相同的測試平臺、測試布置、測試等級、試驗端口等相關測試要求，在不同的時間分別又進行了三次5 kHz和100 kHz重復頻率的電快速瞬變脈沖群試驗，所得到的試驗結果與第一次的試驗結果相一致，因此試驗結果具有較高的可重復性，排除了其他干擾的可能性。

3.6 結果分析

對于選取的四種樣品的測試結果可以看出，選取的某廠家的高頻電刀對于電快速瞬變脈沖群的5 kHz重復頻率比較敏感；選取的某廠家的輸液泵對于電快速瞬變脈沖群的100 kHz重復頻率比較敏感；選取的某廠家的心血管系統狀態監測儀對于電快速瞬變脈沖群的5 kHz重復頻率比較敏感，選取的某廠家的電解質分析儀對于電快速瞬變脈沖群的5 kHz和100 kHz重復頻率都比較敏感。四種樣品的敏感元器件、耦合路徑、廠家的防護器件使用等情況各不相同，因此不能單一的使用一種電快速瞬變脈沖群的重復頻率來代替所有的測試，由此所作出的結果也不具有代表性。

4 結論

對于電快速瞬變脈沖群的原理分析以及選取的四種樣品的測試結果可以看出，由于產品類型不同、企業的技術水平差異、制造工藝的區別等因素，不同的樣品對于不同重復頻率的電快速瞬變脈沖群的敏感程度也各不相同，那么電磁兼容檢驗人員在實際檢驗過程中要綜合考慮各種因素。對于醫用電氣設備，結合安全通用要求GB9706.1-2007中的最不利原則[14]，建議在現行國行標的要求下對所有的有源醫療器械產品進行5 kHz和100 kHz兩種重復頻率的電快速瞬變脈沖群測試；對于體外診斷設備，建議相關的技術委員會考慮增加100 kHz的試驗頻率；對于生產和使用的用戶則建議對設備做好安全防護工作，以降低安全風險。

電快速瞬變脈沖群的高頻分量較為豐富，其干擾特性不僅體現在傳導干擾方面，由耦合夾具帶來的輻射騷擾特性表現也尤為突出[15-16]。本文僅對選取的有源醫療器械樣品進行了電源端口的電快速瞬變脈沖群測試，對于I/O端口及其他線纜的測試沒有涉及到，今后可以針對此類端口和線纜進行不同重復頻率的電快速瞬變脈沖群測試，研究在此條件下對不同的產品帶來的影響。