醫(yī)用電子設(shè)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

摘要：分析電快速瞬變脈沖干擾產(chǎn)生機(jī)理以及電快速瞬變脈沖群抗擾度測試系統(tǒng)的原理，結(jié)合醫(yī)用電子設(shè)備的特性，建立醫(yī)用電子設(shè)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(jù)模型有針對性的進(jìn)行電快速瞬變脈沖群抗擾度設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：電快速瞬變;脈沖群;抗擾度

0引言

隨著高速電路在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，結(jié)合醫(yī)療領(lǐng)域使用人員與使用環(huán)境的特殊性，醫(yī)用電子設(shè)備的抗擾度問題越來越引起人們的關(guān)注，因此國家制定相應(yīng)的抗擾度等級要求，通過標(biāo)準(zhǔn)的抗擾度測試系統(tǒng)，驗(yàn)證注入干擾的情況下醫(yī)用電子設(shè)備的抗擾度等級是否滿足市場要求，脈沖群抗擾度測試是最常見也是比較難通過的幾種抗擾度測試之一。

本文將脈沖群抗擾度測試系統(tǒng)與醫(yī)用電子設(shè)備結(jié)合，根據(jù)醫(yī)用電子設(shè)備的特點(diǎn)建立脈沖群抗擾度測試模型，通過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(tǒng)設(shè)計(jì)方法與思路。

1脈沖群產(chǎn)生機(jī)理

一旦打開或關(guān)閉一個載流電路的接觸點(diǎn)，在接觸點(diǎn)之間可能發(fā)生電擊穿。當(dāng)接觸點(diǎn)靠近并未完全接觸時(shí)擊穿就已經(jīng)開始，在觸點(diǎn)閉合的過程中，擊穿一直持續(xù)直到接觸點(diǎn)閉合。

電網(wǎng)中的感性負(fù)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，直到動靜觸點(diǎn)之間的氣隙被拉大到無法擊穿。這個過程中就會產(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(tǒng)

為了使醫(yī)用電子設(shè)備不受脈沖群干擾的影響，國家規(guī)定醫(yī)用電子設(shè)備都需要通過脈沖群抗擾度測試，測試時(shí)醫(yī)用電子設(shè)備需放置在金屬耦合板上，并由脈沖群干擾發(fā)生器產(chǎn)生干擾通過電源線或一定長度的輸入輸出線纜注入到設(shè)備中，干擾通過設(shè)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/N/PE線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)生的直流高壓通過充電、整形形成所需的脈沖干擾信號，脈沖干擾信號通過阻抗匹配電阻和隔直電容輸出到待測設(shè)備的L/N/PE線纜上，最終通過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(yī)用電子設(shè)備脈沖群抗擾度測試模型

3.1醫(yī)用電子設(shè)備的特點(diǎn)

醫(yī)用電子設(shè)備通常具有患者電纜長、產(chǎn)品類型多樣化、敏感電路抗擾度門限低等特點(diǎn)。患者電纜通常是一個系統(tǒng)最長的部分，作為等效天線，會拾取和輻射噪聲，比如心電圖機(jī)監(jiān)護(hù)儀都有較長的患者電纜。另外醫(yī)用電子設(shè)備根據(jù)應(yīng)用場景的需求，產(chǎn)品類型多樣，比如網(wǎng)電源與浮地結(jié)合的設(shè)備、干電池供電設(shè)備、具有保護(hù)接地的設(shè)備、具有內(nèi)部鈑金的設(shè)備。

3.2脈沖群抗擾度測試模型

結(jié)合醫(yī)用電子設(shè)備的特點(diǎn)與脈沖群抗擾度測試系統(tǒng)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(shè)備接地線等效電感、C4、C5、C6為線路板與設(shè)備內(nèi)部鈑金的等效電容、C7為浮地電路兩端的等效電容、C8、C9為線纜與金屬耦合板之間的等效電容、C10為設(shè)備內(nèi)部鈑金與金屬耦合板之間的等效電容。

無額外接地線設(shè)備使用該模型時(shí)L1可認(rèn)為斷路。

無內(nèi)部鈑金設(shè)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纜的設(shè)備使用模型時(shí)，去掉C8、C9。

不具有浮地應(yīng)用的設(shè)備使用模型時(shí)，可認(rèn)為C7短路。

C1-C3電容容值為脈沖群抗擾度設(shè)備內(nèi)部電容容值已固定，浮地設(shè)備可根據(jù)變壓器、光耦的等效電容及跨接電容的容值確定C7數(shù)值，C8、C9可按照導(dǎo)線與金屬平面之間的電容計(jì)算公式計(jì)算等效電容，其他電容可根據(jù)兩金屬平面之間的電容計(jì)算公式計(jì)算等效電容。

4醫(yī)用電子設(shè)備脈沖群抗擾度測試模型的應(yīng)用

控制干擾電流流向，避免流經(jīng)不可預(yù)期的路徑，這是脈沖群抗擾度濾波設(shè)計(jì)的核心思想。根據(jù)醫(yī)用電子設(shè)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(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量引導(dǎo)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(lán)色路徑回流，干擾信號通過粉色路徑回流時(shí)，要根據(jù)敏感設(shè)備與回流路徑的距離判斷是否有不利影響

根據(jù)測試模型可得設(shè)計(jì)思路如下：

1）當(dāng)設(shè)備具有良好接地且直接與金屬耦合板連接時(shí)，盡量使干擾通過地線濾除，這時(shí)應(yīng)該讓地線盡可能短一些，目的是降低等效電感L1，L1降低根據(jù)公式R=2xfL可知高頻下感抗值就會變小，接地線為干擾電流提供低阻通路，這樣干擾就在一開始從地線濾除掉，即圖3紅色線路部分，不會經(jīng)過后邊的電路，降低了對敏感電路的干擾。

2）如果設(shè)備有內(nèi)部金屬鈑金，則C10就會存在，它屬于金屬鈑金與金屬耦合板之間的等效電容，當(dāng)?shù)刃щ娙葺^大時(shí)，由公式R=1/（2xfC）可知，容抗會變小，那么干擾就會從這條通路流向金屬耦合板，返回到干擾源頭，避免經(jīng)過敏感電路。

3）當(dāng)設(shè)備沒有內(nèi)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AC/DC之后C7之前的電路上串入共模電感，增大線路上的阻抗，使干擾盡量在紅色路徑上衰減，使干擾盡量少的通過數(shù)字電路或模擬電路。

4）若設(shè)備有患者電纜，比如血氧線纜、心電導(dǎo)聯(lián)線電纜。它會拾取空間的輻射干擾電流，同時(shí)與金屬耦合板之間會有較大的等效電容存在，如圖中的C8、C9。尤其當(dāng)電纜較長時(shí).C8、C9的等效電容值就會增大，那么容抗R就會很小，成為干擾電流的低阻抗回路，那么干擾必定經(jīng)過了中間的模擬或數(shù)字電路，干擾路徑為圖3中藍(lán)色部分，設(shè)備就會受到影響。

根據(jù)醫(yī)用電子設(shè)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(shè)計(jì)時(shí)，需從干擾路徑分析.盡量在敏感電路之前濾除干擾。可通過電容濾波引導(dǎo)干擾電流的回流，串聯(lián)電感加大干擾電流的衰減.如無法避免其流過中間敏感電路.則需要設(shè)計(jì)人員增加敏感電流的自身抗擾度門限，做好敏感電路的接地設(shè)計(jì)。

5結(jié)束語

本文結(jié)合醫(yī)用電子設(shè)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(yī)用電子設(shè)備電快速瞬變脈沖群抗擾度測試模型，該模型是一個整體的測試模型，簡單直觀，可為醫(yī)用電子設(shè)備的電快速瞬變脈沖群抗擾度設(shè)計(jì)提供整體設(shè)計(jì)思路.降低設(shè)計(jì)成本與設(shè)計(jì)時(shí)間。