全自動生化分析儀輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射實驗分析和整改措施探討

高之鵬，曹相軍，張 偉，劉艷靈，何浩星，徐默達(dá)，李若萱，劉 振

（河南省醫(yī)療器械檢驗所，鄭州 450018）

0 引言

電磁兼容性（electromagnetic compatibility，EMC）[1]是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。EMC是醫(yī)用電氣設(shè)備或系統(tǒng)的主要性能之一，EMC問題存在于大多數(shù)有源醫(yī)療器械產(chǎn)品中。生化分析儀作為臨床檢驗領(lǐng)域不可或缺的設(shè)備，為各級醫(yī)院的檢驗醫(yī)學(xué)如臨床免疫學(xué)、臨床血液學(xué)、臨床生化學(xué)等不同領(lǐng)域提供檢測服務(wù)，其主要用于檢測人體體液中各種常規(guī)的生化指標(biāo)。市場上常見的生化分析儀有進(jìn)口和國產(chǎn)2類，進(jìn)口的生化分析儀相比國產(chǎn)起步早、發(fā)展快、功能齊全、技術(shù)更成熟。國產(chǎn)的生化分析儀最初依靠光度計、比色計及手工操作等方法，只能完成一些常規(guī)的檢驗。近年來，隨著國內(nèi)技術(shù)的迅猛發(fā)展，生化分析儀逐漸進(jìn)入全自動化水平，全自動生化分析儀具有先進(jìn)的技術(shù)，能夠避免交叉污染，實現(xiàn)檢測技術(shù)多樣化，提高檢測效率、檢測準(zhǔn)確性及實驗室生物安全性。但隨著信息化、電子化、網(wǎng)絡(luò)化的推動，各類電氣產(chǎn)品的EMC問題引起越來越多的關(guān)注。全自動生化分析儀在做EMC測試試驗時，也面臨著各種問題，其中輻射發(fā)射（radiation emission，RE）和傳導(dǎo)發(fā)射（conducted emission，CE）試驗發(fā)射超標(biāo)現(xiàn)象比較常見。本文依據(jù)GB/T 18268.1—2010/IEC 61326-1：2005《測量、控制和實驗室用的電設(shè)備 電磁兼容性要求 第一部分：通用要求》、GB 4824—2019/CISPR 11：2016《工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備射頻騷擾特性限制和測量方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行RE和CE試驗，針對試驗過程中出現(xiàn)的發(fā)射超標(biāo)問題，通過分析原因，采用有效整改方案，順利解決上述超標(biāo)問題，幫助受試設(shè)備（equipment under test，EUT）（本文指全自動生化分析儀）順利通過測試。

1 EUT基本情況及使用中需要注意的EMC問題

1.1 EUT基本情況

本文的EUT為某品牌全自動生化分析儀，主要由分析儀主機(jī)、操作部件、外置打印機(jī)（選購）等組成，包含加樣系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，其基于光電比色法的原理進(jìn)行工作，主要用于臨床血常規(guī)、心肌酶譜、血糖血脂、肝功能、腎功能等常規(guī)生化指標(biāo)的檢測。依據(jù)GB 4824—2019/CISPR 11：2016標(biāo)準(zhǔn)和該全自動生化分析儀技術(shù)要求，按照在電磁環(huán)境中使用設(shè)備的預(yù)期用途，該EUT屬于1組B類設(shè)備。

1.2 EUT在使用過程中需要注意的EMC問題

首先，在該設(shè)備使用之前評估其所處的電磁環(huán)境；其次，如果在強(qiáng)輻射源（例如非屏蔽的射頻源）附近使用該設(shè)備，可能會干擾設(shè)備的正常工作，除此之外在該設(shè)備附近使用其他醫(yī)療設(shè)備，該設(shè)備在正常工作過程中發(fā)出的電磁騷擾可能會造成其附近其他醫(yī)療設(shè)備出現(xiàn)故障。

2 RE實驗分析和整改

2.1 RE實驗分析

2.1.1 騷擾限值

該設(shè)備RE測試實驗場地為3M法半電波暗室，測試頻率段為30 MHz～1 GHz。不同頻率段對應(yīng)的準(zhǔn)峰值不同：30～230 MHz對應(yīng)的準(zhǔn)峰值為40 dB（μV/m）；230～1 000 MHz對應(yīng)的準(zhǔn)峰值為47 dB（μV/m）。通過實驗測量值與限值來判斷EUT輻射發(fā)射是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

2.1.2 實驗原理和測量

EUT在正常工作時產(chǎn)生的電磁騷擾通過空間向外傳遞。該設(shè)備為臺式設(shè)備，放置在高度為80 cm的非金屬桌子上。在RE測試過程中，天線接收的場強(qiáng)是EUT直射波和反射波的矢量和，同時由于EUT在不同方向上的電磁輻射強(qiáng)度不同，因此需要在測試過程中保持天線中心在1～4 m高度區(qū)域變化，在天線水平和垂直2個極化方向上進(jìn)行測量，轉(zhuǎn)臺桌子上布置的EUT隨著轉(zhuǎn)臺360°旋轉(zhuǎn)，通過以上3點設(shè)置，保證在每一個頻率點上獲得最大騷擾電平。

2.1.3 測試設(shè)備

測試設(shè)備包含EMI自動測試控制系統(tǒng)、EMI測量接收機(jī)、天線及天線控制單元和3M法半電波暗室等。

2.2 RE超標(biāo)原因分析

根據(jù)測試結(jié)果（如圖1所示）分析，該設(shè)備的電磁輻射騷擾不符合GB 4824—2019/CISPR 11：2016規(guī)定1組B類設(shè)備的電磁輻射騷擾限值，準(zhǔn)峰值超標(biāo)嚴(yán)重。超標(biāo)的范圍主要集中在30～40 MHz、500～700 MHz頻率段及249 MHz頻率點左右。對造成超標(biāo)的原因進(jìn)行以下排查：（1）從樣品騷擾源分析，該設(shè)備的騷擾源主要有開關(guān)電源、晶振、電動機(jī)等；（2）從連接線纜分析，檢查連接線纜之間是否存在耦合干擾，是否采用有效的屏蔽和濾波方式；（3）從機(jī)箱屏蔽分析，檢查機(jī)箱是否存在有風(fēng)險的縫隙或孔洞，孔洞的設(shè)計是否遵循機(jī)殼屏蔽設(shè)計原則，另外檢查襯墊是否安裝及安裝是否合理，結(jié)構(gòu)搭接是否采用屏蔽處理[3]；（4）從接地分析，檢查是否采用合理的接地方法。

圖1 全自動生化分析儀RE測試初掃結(jié)果圖

2.3 整改措施

2.3.1 開關(guān)電源整改

具體整改措施如下：

（1）通過分析發(fā)現(xiàn)EUT內(nèi)部布線混亂，開關(guān)電源內(nèi)的回路面積過大，因此通過優(yōu)化布線，如輸入交流線和輸出直流線分開走線，連接各開關(guān)的路徑盡可能短，合理安排電源器件，避免尖角和狹小的路徑[4]等問題。

（2）在開關(guān)電源入口安裝電源濾波器，抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的高次諧波，并進(jìn)行試驗驗證。

經(jīng)過以上整改措施，解決了低頻率段30～40 MHz RE超標(biāo)的問題（如圖2所示）。

圖2 全自動生化分析儀RE第一次整改測試結(jié)果圖

2.3.2 接地整改

具體整改措施如下：

（1）改善濾波器外殼與固定鈑金接地，改善主板和主板固定鈑金接地。接地線應(yīng)根據(jù)實際情況盡可能地短，如果接地線過長，會造成回路面積太大，起不到良好效果。整改結(jié)束后RE超標(biāo)問題改善明顯。

（2）廢液泵電動機(jī)外殼接地。廢液泵屬于關(guān)鍵元器件，電動機(jī)在正常工作時產(chǎn)生大量的噪聲。需要注意的是該電動機(jī)外殼上涂抹有一層油漆，用電動機(jī)外殼做接地端時，須除掉外殼上的油漆。

經(jīng)過上述接地整改，有效解決了500～700 MHz頻率段RE超標(biāo)的問題，在該頻率段向外發(fā)射的電磁騷擾明顯降低（如圖3所示）。接地設(shè)計是解決電磁騷擾問題最有效、性價比較高的方法之一。

圖3 全自動生化分析儀RE第二次整改測試結(jié)果圖

2.3.3 電磁屏蔽整改

具體整改措施如下：

（1）在廢液泵供電線兩端添加鐵氧體磁環(huán)，RE超標(biāo)問題可得到改善。

（2）改變原有孔洞的位置，遠(yuǎn)離輻射源。廢液泵電動機(jī)周圍較近的位置存在孔洞，電動機(jī)在正常工作時產(chǎn)生的電磁輻射通過孔洞向外擴(kuò)散，需要注意該孔洞距離輻射源較近，很小的孔洞也可能導(dǎo)致輻射泄漏，致使屏蔽體屏蔽效能降低[5]。

（3）使用彈性且導(dǎo)電性能好的電磁密封襯墊。將孔縫中的非接觸點填平，消除孔縫，增強(qiáng)殼體屏蔽效能。

通過上述電磁屏蔽處理，249 MHz頻率點的輻射超標(biāo)問題得到解決，EUT在各個頻率段RE數(shù)值都有所降低，超標(biāo)問題最終得到解決（如圖4所示）。

圖4 全自動生化分析儀RE第三次整改測試結(jié)果圖

3 CE實驗分析和整改

3.1 CE實驗分析

3.1.1 騷擾限值

EUT在150 kHz～30 MHz的低壓交流電源端口（交流電壓≤1 kV，額定功率≤20 kVA）騷擾電壓限值如下：頻率段150～500 kHz的準(zhǔn)峰值為66～56 dB（μV），平均值為56～46 dB（μV），隨頻率的對數(shù)呈線性減??；500 kHz～5 MHz的準(zhǔn)峰值為56 dB（μV），平均值為46 dB（μV）；5～30 MHz的準(zhǔn)峰值為60 dB（μV），平均值為50 dB（μV）。

3.1.2 實驗原理和測量

CE是指電子產(chǎn)品或系統(tǒng)的電壓或電流從電源端口或信號端口通過電源線或信號線等其他線纜傳輸出去，成為其他設(shè)備或系統(tǒng)的干擾源的一種電磁現(xiàn)象[6]。EUT的邊界與人工電源網(wǎng)絡(luò)最近的一個平面之間的距離為80 cm，該臺式設(shè)備的底部或背部應(yīng)放置在離參考接地平面40 cm的規(guī)定距離上，實驗在電磁屏蔽室內(nèi)進(jìn)行。在測試電源和EUT之間連接一個人工電源網(wǎng)絡(luò)，人工電源網(wǎng)絡(luò)為EUT的交流或直流電源測量端口的測量點提供一個射頻范圍內(nèi)的特定終端阻抗，并將EUT與其對應(yīng)的交流或直流電源線上的環(huán)境噪聲隔離開。

3.1.3 測試設(shè)備

測試設(shè)備包括電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）自動測試控制系統(tǒng)、EMI測量接收機(jī)、人工電源網(wǎng)絡(luò)、電流探頭等。

3.2 CE超標(biāo)原因分析

通過圖5分析出該全自動生化分析儀在CE試驗測試的過程中，平均值超過GB 4824—2019/CISPR 11：2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定1組B類設(shè)備電磁輻射騷擾的限值，但不是特別嚴(yán)重，通過觀察得出超出標(biāo)準(zhǔn)限值的頻率范圍在13～18 MHz。對造成CE超標(biāo)的原因進(jìn)行以下排查：檢查電源線是否安裝濾波器或磁環(huán)；濾波器是否安裝在合適的位置；濾波線路的走線、地線及輸入輸出走線是否合理。

圖5 全自動生化分析儀CE測試初掃結(jié)果圖

3.3 整改措施

具體整改措施如下：

（1）首先考慮是電源電磁騷擾超標(biāo)發(fā)射的問題。在電源線入口處添加鐵氧體磁環(huán)，但改善效果不明顯。

（2）加裝電源線濾波器（根據(jù)實際情況選擇濾波器），同時考慮濾波器安裝位置。本次整改將濾波器安裝在電源線的入口端，同時確保濾波器外殼與機(jī)箱搭接良好、接地良好。通過初掃發(fā)現(xiàn)CE超標(biāo)問題得到改善。

（3）換用屏蔽線纜。需要注意的是屏蔽電纜[7]的屏蔽層與機(jī)箱采用360°搭接的方式，避免出現(xiàn)“豬尾巴效應(yīng)”，最后采用在屏蔽線纜上安裝磁環(huán)的方法，CE超標(biāo)問題得到解決。

綜上，在電源線加裝濾波器和更換屏蔽線纜后，EUT在13～18 MHz頻率段CE超標(biāo)的問題得到解決，符合標(biāo)準(zhǔn)限值的要求（如圖6所示）。

圖6 全自動生化分析儀CE整改測試結(jié)果圖

4 EUT在研發(fā)時需要注意的EMC問題

在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計時，若選用屏蔽線纜，那么線纜的屏蔽層與金屬連接器應(yīng)做好360°搭接，避免出現(xiàn)“豬尾巴效應(yīng)”[8]；若選用非屏蔽線纜，則需要進(jìn)行濾波處理。除此之外，在設(shè)計時電纜的位置應(yīng)盡量放置在電路板的同一側(cè)，線纜分散放置容易導(dǎo)致輻射騷擾發(fā)射量增加。對于容易出現(xiàn)問題的騷擾源，如開關(guān)電源，需要在其電源端口安裝濾波器。在研發(fā)設(shè)計時，如果構(gòu)架設(shè)計中選用金屬殼體，那么各個金屬殼體之間的搭接應(yīng)選擇有意搭接，低頻率段時金屬殼體的屏蔽效能取決于金屬殼體的材料，高頻率段時的屏蔽效能取決于搭接點之間的間距。當(dāng)搭接點的間距小于1/2波長時[9]，能起到較好的屏蔽效果。

5 結(jié)語

通過接地、電磁屏蔽、添加濾波器等整改措施，可解決全自動生化分析儀CE和RE超標(biāo)的問題，其中接地是一種性價比較高的整改手段。EMC測試的目的是為了評價產(chǎn)品在實際電磁環(huán)境中的EMC性能，通過對全自動生化分析儀CE和RE試驗的分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計者在產(chǎn)品設(shè)計初期往往容易忽視EMC問題，最終導(dǎo)致檢驗成本增加，延長上市周期。因此在產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)初期，設(shè)計者要綜合考慮EMC問題，如印制電路板接地設(shè)計、機(jī)械架構(gòu)屏蔽性設(shè)計、最小化線纜間的耦合、保護(hù)敏感元器件等，設(shè)計者之間要相互協(xié)作，用系統(tǒng)的眼光看待EMC問題[10]。