以晶振作為騷擾源的醫用電氣設備輻射發射超標研究

張敏，公翠娟，劉萌，劉美麗，朱成科，李慶雨（通信作者）

1 山東省醫療器械和藥品包裝檢驗研究院電磁兼容室（山東濟南 250101）；2 山東省食品藥品審評查驗中心醫療器械檢查科（山東濟南 250014）

隨著人們健康需求的不斷提高及電子電力技術水平的不斷提升，醫用電氣設備進入快速發展階段，設備的電磁兼容性因涉及公眾健康和安全，日益受到重視，電磁兼容檢驗的必要性已成為業內共識。當醫用電氣設備在預定的電磁環境中運行時，需按規定的安全裕度實現設計的工作性能，且不因其他設備的電磁干擾而受損或產生不可接受的降級，同時不對該環境中的任何事物構成不能承受的電磁騷擾能力。醫用電氣設備電路板上的時鐘電路作為常見的高頻電路，其產生的時鐘脈沖信號具有周期性，騷擾能量在頻譜上很集中。晶振作為時鐘電路的核心，其產生時鐘信號的頻率及一系列諧波頻率，控制著電路的有序運行。隨著數字芯片的時鐘頻率不斷增加，高頻的時鐘信號成為很強的噪聲輻射源，事實證明，晶振是最為常見的噪聲源。面對日益嚴峻的電磁兼容問題，在產品研發設計初期即充分考慮晶振作為噪聲源的輻射發射問題顯得尤為重要。鑒于此，本研究對以晶振作為騷擾源的醫用電氣設備輻射發射超標情況進行了分析、介紹。

1 輻射發射簡述

輻射發射主要是指電磁波的輻射，即電磁騷擾的能量以電磁波的形式輻射到空間，并在空間傳播的現象。輻射發射測試的場強包括等效磁場天線的差模電流輻射通過金屬機箱孔縫泄漏的場強和等效電場天線外接電纜上的共模電流輻射場強，是兩者的矢量疊加結果。GB 4824-2019《工業、科學和醫療設備 射頻騷擾特性 限值和測量方法》[1]等同于IEC/CISPR11[2]，是現行的工業、科學、醫療射頻設備騷擾特性在9 kHz～400 GHz 范圍內的限值和測量方法的標準。

當出現輻射發射超標時，首先應找到引起輻射發射超標的主要原因，常用的排查方法如下。（1）插拔外接電纜：適用于較為簡單的排查，若拔掉外接電纜時輻射強度明顯減小，則可判斷為由外拖電纜引起的等效電場天線起主要作用[3]；在電波暗室內通過插拔的方式進行排查，不僅利于查找輻射發射的源頭，而且利于判斷輻射的路徑。（2）采用電流鉗輔助判斷：在外接電纜無法插拔的情況下，使用電流鉗夾住電纜并測量電纜上流過的共模電流，然后通過頻譜分析儀觀察共模電流的頻譜，若可以觀測到這一頻譜，則考慮主要由等效電場天線向外輻射電磁能量[3～4]。（3）采用近場搜索技術：若通過插拔電纜未有明顯的改觀，或者通過電流鉗監測不到共模電流，則考慮電磁能量主要通過機箱的孔縫向空間輻射，此種情況下可以利用近場探頭和頻譜分析儀探測騷擾噪聲源[5]。

2 案例分析

晶振作為提供電路頻率基準的元器件，在輻射發射試驗測試中，由晶振引起的輻射發射超過規定限值的現象非常普遍，以致設備通過該項測試的成功率較低。印刷電路板（printed circuit board，PCB）布局布線、接地處理、晶振電源去耦、濾波設計等均會對晶振的輻射騷擾產生影響[4-5]。根據傅里葉變換周期信號的頻譜是離散的（頻譜為頻率的倍頻），若周期信號對應高速時鐘信號，則輻射頻譜中很多等頻率間隔的離散頻譜來源于時鐘信號。

以某醫療設備為例，對晶振引起輻射發射超標的問題進行研究。設備采用網口通信，通過網絡交換機與主機的網關模塊相連，并通過網絡協議方式與主控制板傳輸指令，控制設備的工作過程。在輻射發射測試過程中，測得的數據結果見圖1，經分析，超出1組A類（Group 1 Class A）限值的頻點為99.9850、149.9890、199.9440、249.9475 MHz，對應的準峰值（QP值）分別為57.787、66.736、53.615、63.000 dBμV/m。以上是規律的倍頻關系，通過分析設備內部PCB，發現在網關模塊板上使用了一個50 MHz的有源晶振，考慮是晶振作為騷擾源引起的發射超標。于設備待機狀態下進行掃頻測試，發現依然存在相同的超標頻點；斷掉主控板的供電，僅保持網關模塊板通電，發現仍然存在超標現象，基本已驗證推測；斷開網關模塊板的供電，其他電路板保持通電狀態，掃頻發現超標頻點已消除，通過對PCB的分開斷電排查，確定騷擾源來自于50 MHz的有源晶振。

圖1 設備整改前的輻射發射測試結果

進一步判斷騷擾傳輸途徑，首先通過插拔外接網線發現前后數據差異不大，排除通過外接電纜向外傳輸，考慮機箱孔縫的輻射及機箱的塑料材質不能衰減電磁波；對網關模塊板加金屬屏蔽罩，進行PCB整體屏蔽處理，重新進行測試，測試結果見圖2，發現測試值有所下降，但結果仍不能滿足限值要求，在頻點99.9850、149.9890、199.9440、249.9475 MHz，對應的QP值分別為50.475、60.247、51.030、60.585 dBμV/m。

圖2 設備經屏蔽處理后的輻射發射測試結果

經對PCB 布板圖及電路圖進行分析，發現PCB 布板圖是較為簡單的雙層板，晶振離芯片距離較遠，走線較長，且走線與地線跨越穿過；有源晶振供電部分未使用去耦電容，且缺少減少輻射的措施；此外，布板圖布線整體混亂，未有效規避串擾問題，鋪地平面較少，且不夠完整，見圖3。

圖3 原PCB 布板圖

重新設計網關模塊，將網絡交換機合并入網關模塊。設計中，先優化高頻線路，去掉原有的網絡物理接口PHY 電路，選用PLL 倍頻網絡交換機芯片，合并網絡物理接口與網絡交換機，同時將原有的50 MHz 有源晶振改為25 MHz 的無源晶振，有效降低時鐘頻率；針對電路板的設計，先優化高頻元件布局，增加電源線和地線的布線面積，加強高頻輻射的吸收；針對高頻電路，加大接地面積，使地線包圍高頻電路，形成“孤島電路”，不僅可防止外圍電路的串擾，還可減少電磁能量的輻射。改板后的PCB 布板圖見圖4，測試結果見圖5。

圖4 改板后的PCB 布板圖

圖5 重新布板后的輻射發射測試結果

3 晶振在PCB 上的常用設計規范及整改措施

3.1 晶振在PCB 上的常用設計規范

（1）優化晶振的選擇方法：只要能滿足電路的要求，就盡量選擇頻率低的晶振，由于時鐘頻率高，考慮到信號完整性，時鐘上升沿陡，屬于高速電路，更容易引起輻射騷擾；盡量選擇帶有金屬外殼封裝的晶振，在使用時配合良好的接地處理可有效減少輻射騷擾；盡量選擇已經集成到芯片內部的晶振，此類晶振抗擾性較好，但也存在一個缺點，即晶振的頻率是固定的，由于固定集成在內部而無法對頻率進行修改，因此目前選用的較少；優先選擇有源晶振，此類晶振內部有自己的起振電路，抗擾性優于無源晶振，但其價格高，目前多用于高端精密設備，無源晶振不能自己起振，需要配合外部時鐘電路，但因其傳統優勢，目前仍應用最廣泛。（2）優化匹配電容及匹配電阻：根據晶振出廠參數值進行優化選值或推算，在選值時盡量規避推薦范圍的兩端值，選取中間值，避免不起振。（3）優化PCB布板：盡量使晶振距離芯片較近，縮短線長，保證時鐘線短，且切勿使晶振位于PCB的邊緣，離板的邊緣盡量大于20 mm，并確保時鐘線或高頻信號線有連續完整的回流路徑；對于晶振位置下方，既不可布線也不可鋪地，對于晶振周圍5～7 mm范圍內，盡量不要布線或其他元器件，同時應對晶振或高頻電路做包地處理，形成“孤島電路”；在進行PCB布線時，應盡量使線與線（主要是高頻干擾信號走線）在板上的距離大于3倍的線寬，若不能實現，則應盡可能保持大于2倍的線寬，以減少串擾影響；應確保晶振的金屬外殼接地良好，以衰減晶振輻射，屏蔽外來干擾；盡量增大PCB參考地面積，若為多層板，則應有完整的地層，且可對地區域做分割處理，另外，增大電源線和地線的線寬，且確保晶振在PCB上的映射區域鋪地；盡量使PCB遠離I/O口和電源輸入口[6-12]。

3.2 整改措施

由于電磁兼容的復雜性，加之分析預測的精確性不足，即使充分考慮了晶振可能引發的電磁兼容問題，仍可能出現設備不能滿足標準要求的情況，此時設備的電氣結構和機箱內部空間已定，對整改造成限制。針對此種情況，需要“對癥下藥”，盡量在不完全改動PCB布局的情況下進行整改，常用的整改措施為：（1）濾波，通過并聯電容增加芯片電源去耦和時鐘電源電路去耦，但注意去耦電容的引線要短，或在時鐘電路輸出端串聯磁珠，增大感抗進行濾波；（2）匹配，在時鐘輸出管腳加電阻，增加振蕩能量的衰減，或調節匹配電容值，確保匹配電容合適；（3）接地，對晶振金屬外殼進行接地處理；（4）屏蔽，增加金屬屏蔽罩或在機箱內部噴涂具有屏蔽作用的導電銅漆/銀漆；（5）充分利用擴頻技術；（6）重新對PCB布板。

4 小結

本研究通過對晶振引起輻射發射超標的原因進行排查，對整改案例進行分析、總結，為晶振的選取、PCB 布板技巧到產品成品的整改措施提供了參考。但由于檢驗階段的整改會大幅提高產品研發的成本并拖延產品上市的周期，因此，在產品研發設計的初期充分考慮電磁兼容性非常必要。摸索適用的PCB 設計規范，總結有效的整改方法，為醫用電氣設備提供設計和整改的參考措施，提高產品的電磁兼容性，對營造醫用電氣設備良好的電磁使用環境具有積極的現實意義。