醫(yī)療設備輻射超標的電路整改方向研究

朱 堃

（國家家用電器產品質量監(jiān)督檢驗中心（安徽）/合肥產品質量監(jiān)督檢驗研究院 合肥 230088）

引言

電子電器設備在處于正常工作狀態(tài)下，其本身會產生一定量的電磁波，而這種電磁波產生的電磁干擾會干擾其本身和其它裝置的正常運作，甚至影響到設備的正常運行，從而對設備運行時的周邊人員的人身安全造成威脅。

1 醫(yī)療設備檢測電磁兼容的必要性

隨著現(xiàn)代醫(yī)學技術的飛速發(fā)展，醫(yī)用電子電氣設備在臨床診斷和治療方面被越來越廣泛的應有，同時這些設備安全與否直接關乎患者的人身安全[1]。曾有報道，在北京某醫(yī)院，醫(yī)用控溫毯在使用中，由于醫(yī)用控溫毯不能符合電磁兼容的要求，受到手術室高頻電刀的電磁干擾，造成控溫傳感器失靈，導致患者灼傷的事件，引發(fā)了對醫(yī)療器械電磁兼容性的進一步研究[2]。

2 醫(yī)療設備的數(shù)字電路EMC優(yōu)化案例分析

醫(yī)療設備以包括供電、采樣、顯示等模塊的主控制PCB板為核心，由于其復雜的系統(tǒng)而產生復雜的輻射電磁干擾（EMI）噪聲[3]。其中輻射源可能有供電模塊、采樣模塊、顯示模塊、主控電路板等，本次論文將分析如何從醫(yī)療設備電路的上的優(yōu)化設計來降低設備的電磁輻射量。

圖1 待機狀態(tài)下輻射騷擾曲線

圖1顯示的是醫(yī)療設備的工作狀態(tài)處于待機模式測得的輻射騷擾測試結果。此時由于除了設備的主控電路板通電工作以外，其余模塊并無通電工作，而此時設備的輻射值已經超標，通過排除法可以得出此時輻射源應該是由設備的主控電路板。針對該設備本次的輻射騷擾測試結果，我們從電路板設計以及電氣布局布線等方面進行整改設計。

下面我們將對醫(yī)療設備的高速數(shù)字電路EMC優(yōu)化方法進行具體分析：

在設備待機狀態(tài)下，此時其他模塊等功率電路還未啟動，就出現(xiàn)多個頻點超標。通過分析頻點的分布規(guī)律并結合排除法確定是本次設備的高速數(shù)字電路導致的輻射超標。該電路存在多個晶振電路模塊并包含與外部連接的高速時鐘數(shù)據(jù)信號線纜，如果PCB設計不當很容易使得高頻信號通過線纜輻射出去，加之該模塊外殼為非屏蔽的塑料外殼，不具有屏蔽性能，因此很容易引發(fā)輻射騷擾量超標的問題。

因此需要對該高速數(shù)字電路進行整改，從電路原理設計及PCB布局布線設計兩方面著手。電路設計方面主要思路是增強濾波，尤其是接口電路的濾波處理，減少或降低信號高次諧波分量的傳遞，避免引發(fā)EMC問題；PCB設計方面，確保信號回流環(huán)路面積盡可能小，降低電磁輻射。

我們借助頻譜分析儀，對該電路各個單元的輻射情況進行摸底測試，了解各個電路模塊的輻射頻率及強度分布情況。從而有針對性的進行整改，也可以利用近場探頭驗證整改效果。

圖2中的24 MHz有源晶振電路，為CPU運行提供時鐘信號，原電路中晶振的輸出直接進入CPU，并且沒有經過濾波等降低電磁輻射方面的處理。由于晶振輸出信號為方波信號，上升沿快，包含許多高次諧波分量，很容易產生超出標準限值的輻射量。所以需要對晶振輸出信號做適當?shù)臑V波處理，在滿足電路時序需求的前提下(建立時間/保持時間)，盡量降低時鐘信號中高次諧波分量的傳輸。

具體措施：為晶振的輸出端配置一級LC低通濾波電路，選擇合適的器件參數(shù)，使其截止頻率盡可能低且滿足電路時序需求。優(yōu)化前的晶振電路附近可以測到許多24 MHz的高次諧波分量（例如：48 MHz、72 MHz、96 MHz等），優(yōu)化后的晶振電路附近高次諧波分量明顯減少，有效的抑制了輻射。圖2為優(yōu)化后晶振電路圖。

對于接口電路的處理也采用同樣的思路，如電源接口、信號接口。電源接口使用共模電感與電容組成π型濾波器，抑制共模干擾與差模干擾。圖3為優(yōu)化后電源濾波模塊電路圖。

共模電感的前端對地電容為100 pF瓷片電容，用于濾波中高頻共模干擾，共模電感的輸出端電容為差模濾波電容，由不同數(shù)量級的瓷片電容構成，可以對很寬范圍內的噪聲進行抑制。圖4為電源接口共模電感插損曲線。

圖2 優(yōu)化后晶振電路

圖3 優(yōu)化后電源濾波模塊電路

圖4 電源接口共模電感插損曲線

對于信號接口同樣采取類似的濾波處理，因為高頻干擾很容易通過線纜輻射出去，因此對于進出電路板的信號線需要做適當?shù)臑V波處理。

如果是單端信號，且信號頻率較高，需要對其濾波后輸出，在滿足時序要求的前提下，降低信號高次諧波分量的傳輸；對于差分信號，需要進行共模濾波處理后再輸出。

例如，該高速數(shù)字電路接口中就存在一個25 MHz的單端時鐘信號線，該信號線需要首先在PCB上走60 mm左右的距離，然后再經過一根140 mm左右的線纜至顯示單元。該時鐘信號為方波信號，上升沿陡峭，包含豐富的諧波分量，如：50 MHz、75 MHz、100 MHz、125 MHz、175 MHz等，這些頻點在前期的測試中有些已存在超標情況。

按照天線效應，當走線長度大于信號波長λ的1/20時，就可以有效的輻射出去，我們可以計算一下這里的走線長度所對應的輻射頻率范圍。經計算可得，75 MHz頻率對應波長的1/20長度為200 mm，因此大于或等于75 MHz的諧波分量都可能輻射出去。針對該信號的處理措施就是在PCB上加強濾波處理，減少或降低時鐘信號中高次諧波含量。通過實驗測試，這里選擇了磁珠+電容的濾波方案，組成LC濾波電路，其余高速信號線也做了類似的優(yōu)化處理。

圖5為使用頻譜分析儀測得的優(yōu)化前后該信號線纜輻射情況對比圖。圖中紅色頻譜圖對于優(yōu)化前電路，可以看到其中明顯包含許多周期性的高次諧波分量，且輻射強度較高。經過優(yōu)化后（綠色頻譜）的電路輻射情況明顯好轉。首先，沒有明顯的高次諧波分量存在，其次整體輻射強度也明顯下降。

在PCB設計方面，原先的PCB為六層板，由于電路板本身元器件密度較大，走線密集，使得某些信號線（尤其是高速信號線）的回流參考平面不完整，甚至存在走線跨分割層的問題，這樣就導致環(huán)路面積增大，引起電磁輻射。因此針對這一情況，將PCB設計為8層板，增加地層參考平面，確保關鍵信號線的回流參考平面完整，實現(xiàn)環(huán)路面積最小化，提高PCB的EMC性能。此外在布局布線中嚴格遵守3 W原則、20 H原則等PCB設計準則，提高PCB的設計質量。

圖6為新版電路待機狀態(tài)輻射水平，從圖6測試結果來看，經過優(yōu)化后的高速數(shù)字電路板EMC性能得以明顯提升，在設備待機狀態(tài)下進行測試，輻射強度低于限值，相對于原版電路改善明顯。

圖5 優(yōu)化前后該信號線纜輻射情況對比

圖6 新版電路待機狀態(tài)輻射測試曲線

3 總結

醫(yī)療設備產品設計思路對設備的電磁兼容性有著至關重要的影響，產品設計人員應加強重視，應合理安排每一層電路板的線路，盡量減小高速信號、時鐘信號線構成的環(huán)路面積，進而減小設備或系統(tǒng)內部產生的電磁干擾[4]，從而從源頭降低設備輻射量，提高醫(yī)療設備通過電磁兼容通過率，減少企業(yè)后期的檢測和整改成本。