醫療器械電磁騷擾測試整改中常見的材料選取方法

余元駿 劉心 郭綺

摘要：介紹醫療器械電源端騷擾和輻射騷擾測試整改中常見的材料選取方法，為工程師在設計時提供指引。通過對濾波器、X電容、磁環、屏蔽材料的性能作介紹，分析不同材料在電磁騷擾整改中的應用。應根據電磁騷擾測試結果，結合產品的設計，分析不合格原因，選取合適的材料抑制耦合路徑上出現的電磁騷擾信號。

關鍵詞：材料;電磁兼容;耦合路徑;選取方法;抑制

中圖分類號：R197.39 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）12-0053-04

自2014年1月1日起，國內有源醫療器械注冊需提供電磁兼容測試報告。由于醫療器械行業電磁兼容領域起步較晚，企業在設計產品時未作電磁兼容考慮，因此產品在電磁兼容測試時通常需要作不同程度的整改，尤其是電磁騷擾方面，測試不合格率較高。電磁騷擾的整改需從騷擾的三要素出發考慮，即騷擾源、耦合路徑、敏感設備，屏蔽、濾波、接地則是抑制騷擾的“三大法寶”[1]，因此整改的方案多種多樣，而準確選取材料是決定整改方案有效的關鍵，以下將從耦合路徑整改方案中介紹幾種常見的材料選取方法。

1 電源端騷擾不合格整改中常見的材料

1.1濾波器（圖1）

電源端騷擾是指被測設備使用時對公共電網產生的電磁騷擾，該騷擾信號通過電源線進入電網，頻率范圍分布在150kHz～30MHz，GB4824-2013規定了被測設備在此頻段的限值要求閉，因此在設備電源部分接入濾波器可在被測設備和公共電網的耦合路徑上有效濾除騷擾信號。

1.1.1插入損耗

插入損耗是衡量濾波器性能的最重要指標，表示某電路在接入濾波器前后騷擾電信號的衰減程度如公式（1），根據定義，用電壓來計算插入損耗的表達式[3]：

式中，IL為某一頻率的插入損耗;EL2為接入濾波器前負載ZL上呈現的騷擾電壓，V;EL1，為接入濾波器后負載ZL上呈現的騷擾電壓，V。

濾波器生產廠在出廠時會按濾波器型號提供相應的插入損耗測試曲線圖（圖2、圖3）。需注意的是濾波器品種繁多，應根據設備電源端騷擾測試結果選取適合的濾波器。從圖1中可看出，該濾波器在頻率1MHz后插入損耗值逐漸升高到50dB左右，如果設備測試結果顯示騷擾值超標集中在5MHz～10MHz，則該濾波器可有效濾除騷擾信號。但如果騷擾值超標集中在0.15MHz～0.5MHz，則濾除效果不理想，需選擇低頻段插入損耗高的濾波器，如圖2所示，濾波器插入損耗值在頻段O.1MHz～10MHz均能達到50dB左右。一般情況下，測試結果超過標準限值在30dB以下。

1.1.2功率

在選取濾波器時除考慮插入損耗值以外，額定功率/電流也是濾波器關鍵指標之一，應根據設備工作時的實際功率/電流選擇合適的濾波器，額定功率/電流在銘牌上會標注。例如，設備功率為1000W，功率因子1.00，額定工作電壓為220V，則工作電流計算出為4.5A左右，若選用額定電流為3A的濾波器，則會造成濾波器失效。

1.1.3漏電流

醫用電氣設備通用安全標準GB 9706.1-2007規定設備對地漏電流不能超過0.5mA[4]，而濾波器結構中通常包含Y電容，跨接于相線與地線之間，由于電容的充放電特性，若Y電容值過大會造成設備漏電流測試超標。部分醫用濾波器生產廠家會在技術規格書中說明漏電流測試值，廠家未提供漏電流時，可根據濾波器銘牌標示的Y電容值粗略計算漏電流公式（2）：

式中，C為取2倍Y電容值;U為取電源額定電壓220V;F為取電源額定頻率50Hz。

1.2 X電容（圖4）

濾波器由于體積過大且成本較高，并不一定適用于所有醫療設備的電源端騷擾整改方案，特別是無接地結構的醫療設備，合適的電容在一定程度上也可濾除騷擾信號。X電容連接與相線之間，用于濾除相線之間的騷擾信號。

1.2.1電容特性阻抗（圖5）

電容值一定時，特性阻抗呈現下降趨勢，理論上選取大的電容可濾除高頻信號，但需注意的是實際使用中電容在頻率升高時，特性阻抗中感抗分量隨頻率增加，從下降逐漸變為上升，故在選取電容時應關注電容的特性阻抗曲線。對于采購量較小的醫療設備生產廠，電容供應商通常不提供電容的技術資料，一般情況下X電容選取O.1μF～0.47μF為宜，用于濾除頻率在1MHz以下的差模騷擾信號較為有效。

2 輻射發射不合格整改中常見的材料

2.1磁環（圖6）

輻射騷擾是指被測設備工作時向空間傳播的電磁騷擾，該騷擾信號由于頻率較高，可直接設備向空間發射，頻率范圍分布在30MHz～1GHz，GB4824-2013規定了被測設備在此頻段的限值要求[5]。作為電磁兼容設計常見的器件，主要功能是吸收噪聲，通過鐵氧體材料的波損特性將雜波轉化為熱量，從而達到濾波效果[6]，設備的線纜類似天線，往往是將騷擾信號發射出去的路徑，在設備的線纜上繞制合適的磁環可阻斷耦合路徑，降低對外輻射騷擾值。磁珠與磁環的原理類似，因體積較磁環小很多，常用于電路板上的線路設計。

2.1.1磁環特性阻抗

衡量磁環的重要指標主要是特性阻抗，表示磁環在特定頻段吸收騷擾信號的能力。磁環生產廠可提供磁環的特性阻抗測試曲線（見圖7、圖8），磁環的特性阻抗取決于材料、尺寸。通常，錳鋅磁環適用于低頻輻射超標，鎳鋅磁環適用于高頻輻射超標，外徑較厚的磁環吸收電磁波能力較強，內孔徑小的磁環屏蔽性能較好，卡扣式磁環使用方便，但屏蔽性能較差，建議根據設備測試結果結合各磁環的特性阻抗選取合適的磁環。

從圖7和圖8可以看出特性阻抗分別從10MHz～400MHz和300MHz～1000MHz呈高阻趨勢，可繞制于工作頻率及截止頻率在此頻率范圍的線纜上。

2.1.2磁環的繞制特性

磁環在線纜上的繞制匝數也會影響特性阻抗，通常特性阻抗峰值隨匝數增加往低頻方向移動，如圖9所示。可根據超標的頻段和線纜的長短選擇繞制匝數，一般不超過5匝，如果繞制匝數過多會增加匝間電容，從而增加工模干擾信號的通路，降低吸波性能。

2.2屏蔽材料

輻射發射整改中除磁環、磁珠外，還常用到屏蔽材料，用于封堵設備外殼縫隙，如觸摸屏與電路板之間的縫隙、金屬機箱連接處之間的縫隙等，也可用于屏蔽局部的騷擾源，如芯片和其他高頻器件外表面的屏蔽，可對騷擾源進行屏蔽以切斷到空間的發射路徑。常見的屏蔽材料包括：導電布、導電泡棉、吸波材料等，如圖10所示。

2.2.1衰減性能

衰減性能作為衡量屏蔽材料質量的最重要指標，同種材料的屏蔽性能取決于厚度，越厚的材料衰減性能越好，如圖11所示。

2.2.2使用性能

不同成份的屏蔽材料衰減性能不同，但均需滿足使用性能要求，如阻燃性、耐熱性、粘貼強度、剝離強度等，一般采用聚酯纖維、聚氨酯、熱塑性橡膠浸鍍鎳、碳、金、鋁、銅等物質。目前市面上常見的屏蔽材料均能滿足基本的使用性能，但在選材時還應注意材料的使用期限，質量較好的材料使用期限長，可用于產品量產設計方案。

3 結語

電磁騷擾作為電磁兼容測試的重要考核項，關系著產品對公共無線電業務的影響程度，在測試出現不合格整改時，首先應分析不合格原因，重點在耦合路徑上尋求解決方案，材料的選取是決定整改有效的關鍵。然而，在產品的設計之初引入電磁兼容的標準，在結構、工藝和器件選取上考量，才是最有效和經濟的解決思路，產品成型后再考慮電磁兼容對策，會存在整體重新設計的風險。

參考文獻

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