電磁兼容抗擾度試驗布置驗證的研究

張超，蘇宗文，李澍，王權(quán)，李佳戈，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所 光機電室，北京 102629

引言

電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力[1-3]。該定義包含了兩部分內(nèi)容，一是發(fā)射，即設(shè)備或系統(tǒng)應(yīng)不對外界造成電磁騷擾；二是抗擾度，即設(shè)備或系統(tǒng)應(yīng)能承受其所在環(huán)境內(nèi)的電磁騷擾。其中，抗擾度試驗的基本思路是[4-5]，使用發(fā)生器產(chǎn)生騷擾信號，通過特定的路徑與被測設(shè)備耦合，觀察被測設(shè)備（Equipment Under Test，EUT）的表現(xiàn)從而判斷試驗結(jié)果是否符合要求。在這個過程中，如果試驗布置出現(xiàn)問題，典型例子就是不易察覺的發(fā)生器故障或是耦合路徑不通，則會導(dǎo)致騷擾信號沒有施加到EUT 上，出現(xiàn)“假陰性”的結(jié)果，從而對實驗室出具的結(jié)果造成極大的影響。在有源醫(yī)療器械領(lǐng)域，現(xiàn)行有效的電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn)是YY 0505-2012[6]，其中關(guān)于抗擾度的試驗方法，基本都是參考的GB/T17626 系列標(biāo)準(zhǔn)（等同采用IEC 61000-4 系列標(biāo)準(zhǔn)）。本文從以上系列標(biāo)準(zhǔn)入手，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求研究試驗布置的驗證方法，并結(jié)合具體實例進行分析。

1 驗證方法的討論及實現(xiàn)

1.1 靜電放電抗擾度

靜電釋放（Electro-Static Discharge，ESD）是在日常生活中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象。靜電放電試驗?zāi)M的就是人體或其他事物產(chǎn)生的靜電釋放到EUT 上。GB/T 17626.2-2018[7]相比于前一個版本，主要變化之一就是增加了對ESD布置的驗證。除去靜電放電形成的輻射場影響外[8]，靜電釋放的路徑主要為ESD 發(fā)生器-放電電極-EUT 上的測試點-放電回路電纜/470kΩ 泄放電阻-接地參考平面，示意圖，見圖1。

圖1 靜電釋放路徑示意圖

通過研究ESD 發(fā)生器的原理[9]，其輸出波形參數(shù)不易發(fā)生變化，最可能失效的是電壓未傳送至放電電極以及路徑中的電纜、電阻的損壞松脫。標(biāo)準(zhǔn)建議主要驗證的也正是釋放路徑是否接通，給出的驗證方法是將ESD 發(fā)生器設(shè)置為高低不同的電壓，觀察對耦合板空氣放電時是否會產(chǎn)生火花，同時高電壓時產(chǎn)生的火花應(yīng)比低電壓時大，是一種簡單、有效、直觀的方法，可在每次試驗前進行驗證。此試驗布置需注意兩個“0.1 m”，即絕緣支撐邊緣距離水平耦合板邊緣應(yīng)為0.1 m，被測樣品距離垂直耦合板0.1 m。

1.2 電快速瞬變脈沖群抗擾度

在電網(wǎng)中如果有感性負(fù)載（如接觸器或繼電器）斷開，則會對電網(wǎng)中的其他用電設(shè)備產(chǎn)生低能量、高頻率、幅值高的快速瞬變脈沖干擾[10]，導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生誤動作。GB/T 17626.4-2018[11]中給出了試驗使用的脈沖波形的相關(guān)參數(shù)，見圖2。

圖2 電快速脈沖群概略圖

標(biāo)準(zhǔn)中定義試驗布置包括：電快速瞬變脈沖群發(fā)生器、耦合去耦網(wǎng)絡(luò)（Coupled Decoupling Network，CDN）、容性耦合夾和互聯(lián)線纜，為確保在兩次校準(zhǔn)之間試驗布置的正確性，需要對輸出的電快速瞬變脈沖群信號進行驗證。驗證方法連接示意圖，見圖3。

圖3 電快速脈沖群試驗布置驗證方法連接示意圖

本文使用示波器（型號：MDO4104C，品牌：泰克）和校準(zhǔn)器（型號：KW 50，品牌：EMTEST），對實驗室的電快速瞬變脈沖群發(fā)生器輸出的5 kHz 信號進行了驗證，CDN 輸出端和容性耦合夾輸出端驗證結(jié)果如圖4 所示，結(jié)果均符合實驗室依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定的±5%內(nèi)控參考值。此試驗布置應(yīng)注意容性耦合夾底部應(yīng)與接電參考平面接觸良好，示波器的輸入阻抗應(yīng)設(shè)置為50 Ω 檔。

圖4 CDN輸出端和容性耦合夾輸出端驗證結(jié)果

1.3 浪涌抗擾度

浪涌現(xiàn)象普遍存在于供電系統(tǒng)中，產(chǎn)生的原因可分為外因和內(nèi)因，外因主要是雷電引發(fā)電涌過電壓，內(nèi)因主要是斷路器的動作、大負(fù)載的接入或移除、大型發(fā)電機的啟動等[12]。浪涌可能會沖擊設(shè)備的絕緣層，導(dǎo)致絕緣層擊穿，同時累積效應(yīng)也有可能造成半導(dǎo)體器件出現(xiàn)衰退、壽命縮短等失效現(xiàn)象。GB/T 17626.5-2008[13]和IEC 61000-4-5:2017[14]中均規(guī)定除了日常定期校準(zhǔn)外，在試驗前應(yīng)對浪涌發(fā)生器和CDN 組成的試驗布置是否有浪涌脈沖輸出進行驗證。以筆者實驗室的浪涌發(fā)生器為例，由于使用頻率高，內(nèi)部電子開關(guān)切換頻繁，繼電器的驅(qū)動模塊會出現(xiàn)損壞、失效等故障，導(dǎo)致實際無浪涌脈沖輸出，但該故障通過儀器外觀、指示燈、軟件界面均無法顯示，只能依靠每次試驗前的儀器驗證來識別。

本文使用示波器（型號：MDO4104C，品牌：泰克）和高壓差分探頭（型號：P5200，品牌：泰克），對實驗室的浪涌發(fā)生器輸出的2 kV 浪涌波形進行了驗證，連接示意圖和結(jié)果波形圖，見圖5～6。在驗證時應(yīng)注意，如果使用的是非隔離示波器，則應(yīng)使用類似于高壓差分探頭的隔離裝置來保護示波器，其次線-線和線-地間的浪涌脈沖信號均應(yīng)予以驗證。

圖5 浪涌試驗布置驗證方法連接示意圖

圖6 實測浪涌波形圖

1.4 電壓暫降、短時中斷和電壓變化抗擾度

電壓暫降、短時中斷主要是由電網(wǎng)、電力設(shè)施的故障或負(fù)荷突然出現(xiàn)大變化引起的，電壓變化則是由于連接到電網(wǎng)的負(fù)載連續(xù)變化引起的。電網(wǎng)電壓出現(xiàn)的這些波動，可能會導(dǎo)致設(shè)備誤動作或是重要數(shù)據(jù)的丟失，以激光手術(shù)類設(shè)備為例，某些設(shè)備在高能量激光持續(xù)輸出時，如遇電壓暫降，則有可能會導(dǎo)致輸出端激光功率驟降甚至停機重啟，嚴(yán)重影響術(shù)區(qū)的治療效果。GB/T 17626.11-2008[15]和IEC 61000-4-5:2017[16]中雖然沒有規(guī)定試驗前需要對試驗布置進行驗證，但是要求在試驗過程中應(yīng)監(jiān)測EUT 電源電壓使其在2%準(zhǔn)確度范圍內(nèi)，連接示意圖如圖7 所示。

本文使用示波器（型號：MDO4104C，品牌：泰克）和高壓差分探頭（型號：P5200，品牌：泰克），對實驗室的電壓暫降、電壓中斷發(fā)生器的輸出電壓進行了監(jiān)測，得到的波形圖，見圖8。

圖7 電壓暫降、短時中斷試驗中監(jiān)測電源電壓連接示意圖

圖8 不同程度電壓暫降后電壓監(jiān)測波形圖

測試時，同樣需要使用隔離裝置來保護示波器，同時需要注意，有些發(fā)生器配套的調(diào)壓器默認(rèn)電壓初始值為230 V，需要實驗室根據(jù)EUT 的電壓范圍來調(diào)整初始電壓，否則發(fā)生器是按照230 V 的相應(yīng)比例來輸出電壓。

1.5 射頻電磁場輻射抗擾度和工頻磁場抗擾度

隨著個人電子設(shè)備以及無線終端的飛速發(fā)展，現(xiàn)實環(huán)境中的電磁場、磁場也變得日益復(fù)雜，對于醫(yī)用電氣設(shè)備，射頻電磁場輻射抗擾度試驗?zāi)M的是現(xiàn)實環(huán)境中80 MHz～2.5 GHz的射頻電磁場，工頻磁場抗擾度試驗?zāi)M則是模擬導(dǎo)體通過電流后在周圍形成的磁場，這兩項抗擾度試驗均是通過空間將騷擾信號耦合到EUT 上。GB/T 17626.3-2016[17]和GB/T 17626.8-2006[18]與前文介紹的標(biāo)準(zhǔn)不同，除常規(guī)校準(zhǔn)外[19-21]并沒有提出對試驗布置或儀器驗證的要求，只是在試驗程序中增加了預(yù)確認(rèn)或預(yù)校驗設(shè)備正確運行的步驟，但沒有給出具體的試驗方法。參考其他抗擾度試驗的驗證思路，試驗前使用相關(guān)探測器直接測量EUT 附近的場強度即可達到預(yù)確認(rèn)的目的。試驗布置示意圖，見圖9～10。

圖9 工頻磁場抗擾度預(yù)確認(rèn)示意圖

圖10 射頻電磁場輻射抗擾度預(yù)確認(rèn)示意圖

2 結(jié)論

本文從GB/T 17626 以及IEC 61000-4 系列標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，討論并實現(xiàn)了靜電放電、電快速瞬變脈沖群、浪涌以及電壓暫降、短時中斷和電壓變化試驗標(biāo)準(zhǔn)中建議的試驗布置驗證方法，探索了射頻電磁場輻射和工頻磁場抗擾度試驗前預(yù)確認(rèn)的方法，得到了滿足試驗要求的騷擾信號波形和強度水平，同時對測試時需要注意的事項進行了總結(jié)，有利于實驗室在日常檢測工作中快速、有效地對騷擾信號發(fā)生器和耦合路徑進行驗證，可以有效防止“假陰性”結(jié)果的出現(xiàn)，為實驗室的質(zhì)量控制提供保障。此外，通過對比GB/T 17626 和IEC 61000-4 系列標(biāo)準(zhǔn)我們還可以看到，在新版的IEC 61000-4 系列標(biāo)準(zhǔn)中，均不同程度地提出了在試驗前對試驗布置進行驗證或是在試驗中對施加到EUT 上的騷擾信號進行監(jiān)測，也證明了儀器驗證的重要性，希望可以引起各實驗室的重視。