電源在醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容性測(cè)試中的影響分析

王權(quán)，李澍，蘇宗文，任海萍

中國(guó)食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 100050

電源在醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容性測(cè)試中的影響分析

王權(quán)，李澍，蘇宗文，任海萍

中國(guó)食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 100050

醫(yī)用電氣設(shè)備中的電源，由于其高功率密度、高電流/電壓變化率、線路相對(duì)集中等因素導(dǎo)致其電磁干擾問題特別嚴(yán)重和復(fù)雜，從而不同性質(zhì)電源的電磁兼容（EMC）表現(xiàn)是目前研究的熱點(diǎn)問題之一。本文分析了醫(yī)療設(shè)備電源的電磁干擾產(chǎn)生機(jī)理及傳播方式，并對(duì)代表性設(shè)備進(jìn)行了EMC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了分析。

醫(yī)用電氣設(shè)備；電磁干擾；醫(yī)療設(shè)備電源；電磁兼容性

0 前言

電磁兼容性 （ElectroMagnetic Compatibility，EMC）是指“設(shè)備（系統(tǒng)，分系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即該設(shè)備不會(huì)由于受到處于同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備的電磁發(fā)射導(dǎo)致或遭受不允許的降級(jí)；它也不會(huì)使同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備（系統(tǒng)、分系統(tǒng)）因受其電磁發(fā)射而導(dǎo)致或遭受不允許的降級(jí)”[1]。

隨著各類電子醫(yī)療設(shè)備的大量應(yīng)用，電源在這些設(shè)備中的地位越來越重要，并由于設(shè)備的微型化，往往要求其使用的電源具有體積小、重量輕、效率高的能力。同時(shí)，由于電源的功率轉(zhuǎn)化效率一般在50％～80％之間，因此，大量的能量作為無功功率以電磁波和熱能的形式釋放，并逐漸成為最主要的電磁騷擾源；另一方面器件、線路相對(duì)集中的特點(diǎn)也造成了其較容易受到其他干擾源騷擾。這就是我們必須面對(duì)的電源的EMC問題[2]。

本文首先分析了醫(yī)療器械電源產(chǎn)生電磁兼容問題的原因；其次根據(jù)醫(yī)療器械電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)所要求的11項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，分析了內(nèi)部電池供電模式（內(nèi)電模式）和網(wǎng)電源供電模式（網(wǎng)電模式）對(duì)11項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的適用情況[3-5]；最后以輻射發(fā)射為例，分析了內(nèi)電模式和網(wǎng)電模式下工作的醫(yī)療器械的電磁輻射水平及二者差異原因。

1 電源的電磁干擾分析及適用的評(píng)價(jià)技術(shù)

1.1 電源的電磁干擾特點(diǎn)分析

電源的本質(zhì)是將能量（電能）轉(zhuǎn)換成合適的形式（電壓、功率）并輸出，以保證系統(tǒng)的正常工作。其電流變化率為di/dt、電壓變化率為dV/dt，若該變化率大，則產(chǎn)生的電磁干擾強(qiáng)度也大。因此相對(duì)于低功率數(shù)字電路，電源的干擾 較為明晰，主要集中在功率開關(guān)器件以及變壓器和電感等磁性元器件。醫(yī)用電氣設(shè)備常用的開關(guān)電源的電磁干擾有其自身的特點(diǎn)[6]，主要表現(xiàn)為：① 電源作為工作于開關(guān)狀態(tài)的電能處理裝置，與作為信號(hào)處理的數(shù)字電路相比，其電壓、電流變換率很高，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度較大；② 根據(jù)電源頻率范圍分析，電源產(chǎn)生的干擾以傳導(dǎo)干擾和近場(chǎng)干擾為主；③ 在印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）的設(shè)計(jì)方面，與信號(hào)處理線路較規(guī)則的布線設(shè)計(jì)不同，電源的電路板布線具有更大的隨意性，這增加了PCB分布參數(shù)提取的難度；④ 與數(shù)字電路中線路阻抗匹配的情形不同，開關(guān)電源的干擾源阻抗與網(wǎng)側(cè)阻抗不但不匹配，而且是隨負(fù)荷變化的，這給EMI濾波器的設(shè)計(jì)帶來了一定困難。同時(shí)電磁干擾濾波器中的電感、電容原件需要承受很大的無功功率，不但降低了電源的整體效率，也增大了體積[7]。

從以上描述可以看出，電源大多工作在高頻情況下，在開關(guān)器件的導(dǎo)通關(guān)斷過程中，其主電路中功率開關(guān)管的高速開關(guān)動(dòng)作（從幾十千赫到數(shù)兆赫）形成了電磁騷擾源，其交變電壓和電流會(huì)通過電路中的元器件產(chǎn)生很強(qiáng)的尖峰干擾和諧振干擾。在開關(guān)電源中主要存在的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場(chǎng)輻射干擾，傳導(dǎo)干擾會(huì)注入電網(wǎng)，嚴(yán)重污染電網(wǎng)，影響鄰近電子設(shè)備的正常工作。產(chǎn)生輻射騷擾的原因是電磁干擾信號(hào)占有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)過電路、空間中的傳導(dǎo)和輻射，污染周圍的電磁環(huán)境[8]。

1.2 不同電源部件醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁兼容適用項(xiàng)目分析

醫(yī)用電氣設(shè)備適用的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)是YY 0505-2012《醫(yī)用電氣設(shè)備第1-2部分：安全通用要求并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容要求和試驗(yàn)》，具體包括11項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，分別從發(fā)射和抗擾兩方面衡量設(shè)備的EMC。醫(yī)用電器設(shè)備常用內(nèi)電模式或網(wǎng)電模式供電，二者供電機(jī)理不同。由于特定電源供電設(shè)備較少，本文不進(jìn)行研究。EMC通用要求中所要求的11項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，不同情況下可能某些具體實(shí)驗(yàn)是不適用的。因此，需要根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況，對(duì)11項(xiàng)實(shí)驗(yàn)具體分析，并最終判斷出所適用的實(shí)驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果，見表1。從表1可以看出，對(duì)于網(wǎng)電模式的醫(yī)療設(shè)備來說，YY0505-2012中要求的11項(xiàng)實(shí)驗(yàn)均是適用的；但對(duì)于內(nèi)電模式的醫(yī)用電氣設(shè)備來說，和電源線相關(guān)的項(xiàng)目是不適用的。

表1 適用項(xiàng)目對(duì)比表

從上表也可以看出，對(duì)于發(fā)射試驗(yàn)來說，內(nèi)電模式和網(wǎng)電模式均適用的實(shí)驗(yàn)只有輻射發(fā)射，因此以輻射發(fā)射為例，具體衡量在內(nèi)電模式和網(wǎng)電模式下工作的醫(yī)療器械的電磁輻射水平，并找出差異。

2 測(cè)試驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

輻射發(fā)射的測(cè)量是在3米法半電波暗室中進(jìn)行，受試設(shè)備通過和人工電源網(wǎng)絡(luò)相連接入電網(wǎng)，人工電源網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量端口接50Ω的負(fù)載，當(dāng)測(cè)量天線接收到騷擾信號(hào)后，信號(hào)通過連接器傳至接收機(jī)中。測(cè)量天線距受試設(shè)備3m，對(duì)30MHz～1 GHz頻段進(jìn)行測(cè)量。天線使用情況：30～200MHz頻率范圍，使用雙錐天線測(cè)量；200MHz～1 GHz 頻率范圍，使用對(duì)數(shù)周期天線。水平極化方向和垂直極化方向均需測(cè)量，取接收機(jī)收到最大的射頻噪聲電平[9]。

2.2 具體測(cè)試案例分析

2.2.1 手術(shù)床

測(cè)試的手術(shù)床可以在網(wǎng)電也可在內(nèi)電模式下工作：①設(shè)備使用網(wǎng)電源供電時(shí)，工作電源：220 V/50 Hz；② 設(shè)備使用內(nèi)部電池供電時(shí)，工作電源：24 V/DC。具體的測(cè)試結(jié)果，見圖1。

圖1網(wǎng)電和內(nèi)電模式下手術(shù)床輻射發(fā)射的測(cè)試結(jié)果

從圖1可以看出，在30MHz～1 GHz整個(gè)測(cè)試頻段內(nèi)，內(nèi)電模式和網(wǎng)電模式輻射發(fā)射限制符合標(biāo)準(zhǔn)，且總體來說，在整個(gè)頻段內(nèi)，內(nèi)電和網(wǎng)電模式下的輻射發(fā)射譜圖差別不大，而且發(fā)射電平類似隨諧波周期性變化，說明影響總體輻射發(fā)射水平的騷擾源并不來自設(shè)備的網(wǎng)電變換模塊，而是來自設(shè)備內(nèi)部，且發(fā)射電平的基波在40MHz附近，有可能來自手術(shù)床的電機(jī)模塊。

總體來說，從此案例可以看出，對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)良好的醫(yī)療設(shè)備，是可以做到對(duì)網(wǎng)電變換模塊的良好屏蔽，保證電源變換模塊不造成最終輻射發(fā)射結(jié)果的超標(biāo)。

2.2.2 醫(yī)用頭燈

醫(yī)用頭燈可在網(wǎng)電也可在內(nèi)電模式下工作：① 網(wǎng)電模式時(shí)，充電器與網(wǎng)電源連接，對(duì)設(shè)備內(nèi)部的鋰離子電池進(jìn)行充電，工作電源 220 V/50 Hz；② 內(nèi)電模式時(shí)，由內(nèi)部鋰電池供電，工作電源為7.4 V/DC，測(cè)試結(jié)果，見圖2。

圖2 網(wǎng)電和內(nèi)電模式下醫(yī)用頭燈輻射發(fā)射的測(cè)試結(jié)果

從圖2 可以看出，和手術(shù)床不同，設(shè)備工作在網(wǎng)電和內(nèi)電模式下時(shí)，輻射發(fā)射有較大的區(qū)別，且主要差異分布在200MHz以下，由于兩者工作模式的差異僅為電源模塊的差異，因此可以確定，在低頻段38.2、43.1、76.4MHz附近的騷擾主要來自于設(shè)備的網(wǎng)電變換模塊，由于其具有較大的di/dt及dV/dt，且設(shè)備對(duì)電源的屏蔽并不是十分良好，導(dǎo)致其在低頻段出現(xiàn)若干騷擾點(diǎn)。同時(shí)，也可看出，在高頻部分（＞240MHz）使用內(nèi)電與使用網(wǎng)電工作的情況基本一致，在280MHz以及300～400MHz范圍頻譜比較豐富。

該案例的測(cè)試結(jié)果是我們?cè)趯?shí)際測(cè)試中常遇到的情況，由此可以得出，對(duì)于部分設(shè)備來說，由于其電源模塊設(shè)計(jì)的不合理，可能造成電源模塊輻射較高，從而影響了整個(gè)設(shè)備的電磁輻射水平。

2.2.3 醫(yī)用多參數(shù)監(jiān)護(hù)設(shè)備

多參數(shù)監(jiān)護(hù)設(shè)備在網(wǎng)電和內(nèi)電模式下工作的測(cè)試結(jié)果，見圖3。

圖3 網(wǎng)電和內(nèi)電模式下多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀輻射發(fā)射的測(cè)試結(jié)果

從圖3可以看出，醫(yī)用多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀在內(nèi)電模式下工作反而輻射更大，這和我們的一般認(rèn)識(shí)并不一致。普遍認(rèn)為，設(shè)備工作在內(nèi)電模式時(shí)，由于其屬于直流供電，因此電磁輻射相對(duì)于網(wǎng)電供電要小。分析其具體原因：由于內(nèi)電模式下輻射較高的頻點(diǎn)在210～240MHz，后經(jīng)查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)，設(shè)備使用的報(bào)警系統(tǒng)的控制部件正工作在此頻率范圍內(nèi)。最后得出結(jié)論是由于設(shè)備在使用內(nèi)部電源時(shí)，從安全方面的考慮，默認(rèn)開啟了報(bào)警音，報(bào)警電路持續(xù)工作，從而增加了系統(tǒng)的輻射水平。后經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，在使用內(nèi)部電源時(shí)，關(guān)閉報(bào)警音設(shè)置重新測(cè)試，發(fā)現(xiàn)210～240MHz范圍內(nèi)輻射消失，至此問題得到了確定。

從此案例得出結(jié)論：一般設(shè)計(jì)人員均認(rèn)為設(shè)備在使用內(nèi)部電源工作時(shí)整機(jī)的輻射發(fā)射會(huì)小于網(wǎng)電模式，但不排除有特殊情況，有些設(shè)備由于在使用內(nèi)部電源時(shí)，開啟了某些模塊，而此部分模塊恰恰是輻射發(fā)射的騷擾源，該種情況下，設(shè)備在內(nèi)電模式下工作反而會(huì)比網(wǎng)電模式更差。

3 結(jié)論

隨著醫(yī)療器械技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)用電氣設(shè)備電源向小型化、高性能、高可靠性的方向發(fā)展，設(shè)備內(nèi)部的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，電磁干擾問題變得越來越嚴(yán)重。最為主要的干擾源，電源供電模式必須得到重視。但是，影響一個(gè)醫(yī)用電氣設(shè)備電磁干擾的因素還有很多，針對(duì)具體情況，需要更深入研究，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

[1]Layton R.PAUI.電磁兼容導(dǎo)論[M].北京：人民郵電出版社,2007.

[2]錢照.電力電子系統(tǒng)中的電磁兼容[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),1999,7（14）：77-82.

[3]YY 0505-2012,醫(yī)用電氣設(shè)備第1-2部分：安全通用要求并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容要求和試驗(yàn)[S].2012.

[4]劉京林.解讀醫(yī)療EMC法規(guī)—YY0505標(biāo)準(zhǔn)[J].現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器與應(yīng)用,2007,19（2）：34-37.

[5]李澍,李佳戈,蘇宗文.醫(yī)療器械電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)解析[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2014,29（2）：14-17.

[6]馬偉明,張磊,孟進(jìn).獨(dú)立電力系統(tǒng)及其電力電子裝置的電磁兼容[M].北京：科學(xué)出版社,2007.

[7]周志敏,周繼海,紀(jì)愛華.開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)---設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [M].（第2版）.北京：人民郵電出版社,2007.

[8]邱紫敬.車載充電電源的電磁兼容研究[D].西安：西安電子科技大學(xué),2013.

[9]GB 4824-2013,工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）射頻設(shè)備騷擾特性限值和測(cè)量方法[S].2013.

Study on the Influence of Different Power Supply Units onMedical Equipment in the Electromagnetic Interference Test

WANG Quan, LI Shu, SU Zong-wen, REN Hai-ping
Institute forMedical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China

Because of the high powerdensity, high current/voltage rate and the intensive line layout, the powersupply unit can lead toserious problems of electromagnetic interference （EMC） for medical equipment. Therefore, the electromagnetic compatibility problem of powersupply units for medical equipment is one of the hot research focuses. This paper analyzes the mechanism and transmission method of electromagnetic interference of powersupply units for medical equipment.Meanwhile,several typical powersupply units are tested and the results are analyzed.

electric medical equipment；electromagnetic interference；powersupply units of medical equipment；electromagnetic compatibility

TM153；R197.39

C

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.08.042

1674-1633（2015）08-0127-03

2015-05-21

中國(guó)食品藥品檢定研究院中青年發(fā)展研究基金（2014C6）。

李澍，副研究員。

作者郵箱：lishu@nifdc.org.cn