醫(yī)用治療儀EMC測試問題探析及總結(jié)

溫宇標(biāo)，黃 勇，符吉林，葉 瑀

（廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，廣州 510663）

醫(yī)用治療儀EMC測試問題探析及總結(jié)

溫宇標(biāo)，黃 勇，符吉林，葉 瑀

（廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，廣州 510663）

通過對醫(yī)用治療儀進(jìn)行分類，針對低壓輸出和高壓輸出兩類產(chǎn)品的EMC常見不合格項目，挑選典型的產(chǎn)品加以分析，從而總結(jié)出不合格項目對應(yīng)的改善措施，為治療儀產(chǎn)品的EMC問題提供案例參考。

醫(yī)用治療儀；低壓輸出；高壓輸出；不合格；改善

引言

醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁兼容性因其涉及公眾的健康和安全，因此日益受到人們的關(guān)注。其中醫(yī)用治療儀產(chǎn)品也最為人所熟知，其特點是隨處可見，普遍適用于醫(yī)院，大、小診所以及家庭等各種場所，通過對患者進(jìn)行輔助治療，達(dá)到止痛、改善血液循環(huán)和消炎等作用，因此成為醫(yī)用電氣設(shè)備中的一類重要產(chǎn)品。常見的治療儀種類繁多，其工作頻率，使用特性等也各有不同。根據(jù)產(chǎn)品的治療輸出端的電壓不同，以220 V電壓作為一個分界點，大致可以分為以下兩種，低壓輸出類產(chǎn)品和高壓輸出類產(chǎn)品。以下對這兩類產(chǎn)品的EMC測試過程中的不合格情況進(jìn)行詳細(xì)探討和總結(jié)。

1 低壓輸出類產(chǎn)品

1.1 特點分析

此類產(chǎn)品多數(shù)是低中頻，直流低壓輸出的各種多功能治療儀，主要功能包括帶加熱功能，磁療功能，激光功能，刺激功能，超聲波治療等，其主要原理就是通過變壓器降壓至幾伏到幾十伏的低壓，然后供給顯示控制端和輸出端，大致原理圖見圖1。

1.2 常見不合格情況

1）輻射發(fā)射超標(biāo)；

2）傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)；

3）靜電放電試驗失敗，現(xiàn)象主要是出現(xiàn)顯示屏亂碼，黑屏，或者直接被打壞，輸出不符合技術(shù)要求的誤差范圍；

4）電快速瞬變脈沖群試驗失敗，現(xiàn)象主要是出現(xiàn)顯示屏亂碼，黑屏，輸出不符合技術(shù)要求的誤差范圍；

5）電壓跌落，現(xiàn)象主要是顯示端工作異常，出現(xiàn)復(fù)位或者黑屏，停止輸出等。

1.3 改善措施

1）對VCC和板上地端并電容，耐壓要選大于板上的供電電壓。對信號線串聯(lián)磁珠，前提是不能影響正常的信號通訊。以及對輻射較差的晶振外殼進(jìn)行就近接地處理。以上措施有利于改善輻射和傳導(dǎo)發(fā)射；

2）對電源輸入端加裝濾波防雷一體電路，典型電路如圖2所示，以上措施有利于降低傳導(dǎo)發(fā)射水平，同時提高電快速瞬變脈沖群和浪涌抗擾度水平。實際應(yīng)用過程根據(jù)不同產(chǎn)品所選元器件參數(shù)需稍作調(diào)整。

3）對治療輸出端接口，顯示屏，按鍵等處進(jìn)行靜電處理。靜電的危害體現(xiàn)在以輻射或傳導(dǎo)的路徑進(jìn)行干擾，或二者混合作用，因此，對于靜電放電的改善措施應(yīng)對上述影響因素予以考慮，實際改善措施總結(jié)如下：

①金屬螺絲改為塑料螺絲；

②增加TVS管吸收能量，增加磁環(huán)消耗能量；

③結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)加大放電距離，絕緣方面的隔離；

④電容改變放電回路，濾波電路等。

4）對于電壓跌落。通常電壓跌落至40 %和70 %時最容易出現(xiàn)不合格，主要原因是主板電路多由穩(wěn)壓電路來供電，一旦電壓變化導(dǎo)致穩(wěn)壓電路不能真正實現(xiàn)的穩(wěn)壓，則后級的顯示和控制由于供電不足而出現(xiàn)上述各種問題。

其中，穩(wěn)壓電路最常用的是采用LM7805芯片，輸入的220 V通過變壓器直接降為不同的低壓，然后通過7805芯片進(jìn)行穩(wěn)壓輸出，但由于變壓器的線性工作原理，一旦輸入端出現(xiàn)較大幅度電壓降低，輸出端也同時跟隨發(fā)生降低，因此要解決上述問題就應(yīng)該設(shè)法保證7805正常工作，這樣才能令輸出端電壓可以穩(wěn)定在正常的誤差范圍內(nèi)。

參考7805的典型應(yīng)用電路如圖3所示，改善措施總結(jié)如下：

①加大電容C1進(jìn)行儲能。電能持續(xù)通過電容的電能儲存來達(dá)到，而持續(xù)時間的長短則由電容的放電時間來決定。由電容的放電特性可知，電容越大，持續(xù)時間越長。由于輸出端負(fù)載各有不同，負(fù)載越重，C1的要求越大，一般可選取KuF級別以上的大電容進(jìn)行試驗，耐壓值根據(jù)不同工作電壓進(jìn)行挑選。

②穩(wěn)壓芯片的前端輸入電壓Vin適當(dāng)調(diào)高，選取合適值，即主要通過變壓器設(shè)計階段讓輸出電壓提高。

在產(chǎn)品檢測過程發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)壓芯片的Vin大部分在7.5~8.5 V之間，估計廠家是出于提高電源效率的考慮。由此帶來的試驗結(jié)果是電壓跌落直接不合格，或者重復(fù)多次試驗時會出現(xiàn)偶爾合格，偶爾不合格這樣一種臨界狀態(tài)。通過查閱7805芯片的資料并進(jìn)行推導(dǎo)可知，穩(wěn)壓器的輸入輸出電壓差Ui-Uo≥2 V，整流橋上的壓降為2×0.7 V=1.4 V，故變壓器輸出端電壓U≥5+2+1.4=8.4 V。另外，考慮輸出與輸入間壓差帶來的功率損耗，電壓過高會發(fā)熱嚴(yán)重甚至擊穿穩(wěn)壓塊，電壓過低則輸出電壓達(dá)不到穩(wěn)定的目的，壓差越大損耗越大。再結(jié)合實際的試驗情況下，建議變壓器輸出端電壓設(shè)計為9~10 V之間，有利于解決電壓跌落的問題。

2 高壓輸出類產(chǎn)品

2.1 產(chǎn)品特點分析

圖1 多功能治療儀常見原理圖

圖2 濾波防雷一體電路

圖3 7805的典型應(yīng)用電路

此類產(chǎn)品一般是高壓輸出，輸出電壓從幾百V到上萬V不等，形成高壓交變電場。其治療原理是將人體置于該電場當(dāng)中，通過電場負(fù)荷對人體產(chǎn)生作用，在交變電場的作用下，人體各個部位產(chǎn)生及其細(xì)微的振動，各組織器官的不平衡得到充分調(diào)整。典型的產(chǎn)品有高電位治療儀，下面以此為例進(jìn)行分析，大致工作原理圖如圖4所示。

2.2 常見不合格情況

1）輻射發(fā)射超標(biāo)，通常是工作在高電位模式狀態(tài)下。

2）傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)，通常是工作在高周波模式狀態(tài)下。

3）電壓跌落，根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)要求可知，規(guī)定輸出的電位誤差為±10 %，而通過示波器的即時監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，電壓跌落時輸出端出現(xiàn)不同程度的電壓降低，超過正常的誤差范圍。

2.3 改善措施

1）輻射方面。一是注意輸出線纜的接口處的電連接要保證良好，否則容易因為縫隙出現(xiàn)高壓打火現(xiàn)象，導(dǎo)致輻射滿屏超標(biāo)的現(xiàn)象。二是在患者坐墊下方加一層絕緣墊層，厚度5 mm。正常測試過程中輸出坐墊放在80 cm非金屬的木桌面上，可以聽到一種滋滋的類似電流聲，推測由于不同溫濕度狀態(tài)下的木頭并非完全絕緣，況且是在高壓狀態(tài)下，因此輸出坐墊很有可能通過桌子產(chǎn)生放電現(xiàn)象，實際的測試波形中可以看到大量的毛刺干擾。通過對坐墊進(jìn)行上述處理后，類似現(xiàn)象消失，輻射干擾大大降低。

2）傳導(dǎo)方面。由于高周波模塊的工作頻率為幾十kHz，超標(biāo)頻點主要是主頻的倍頻點，主要集中在5 MHz之前的這一段區(qū)域。因此考慮加裝濾波器，主要通過使用差模電感，濾掉差模部分干擾，注意安裝位置越靠近電源入口端效果越好。此外，變壓器輸入端和輸出端的線纜盡量注意分離，避免相互串?dāng)_。

3）電壓跌落方面。其根本原理就是利用高壓變壓器進(jìn)行升壓，因此，根據(jù)前面分析過的變壓器線性原理，在電壓跌落試驗時容易出現(xiàn)問題。為了實現(xiàn)治療儀的輸出端電壓盡可能穩(wěn)定，正常情況下可以考慮加大電容來進(jìn)行緩沖，但由于輸出電壓為高壓，同時滿足耐高壓和大容量的電容幾乎是不切實際的。所以換一個思維來考慮，可以在電源輸入端增加穩(wěn)壓電路，這樣一來，輸入端電壓穩(wěn)定，輸出端的電壓也可以實現(xiàn)穩(wěn)定。增加穩(wěn)壓電路后的原理圖如圖5中所示。

其具體的原理就是開關(guān)電源+逆變器，首先開關(guān)電源AC輸入，DC輸出，而逆變器是DC輸入，AC輸出，這樣組合之后相當(dāng)于AC輸入，AC輸出，電壓沒有發(fā)生任何變化，依舊是交流220 V不變，不會影響整個電路的正常工作。但結(jié)合開關(guān)電源的特性分析可知，開關(guān)電源的控制電路是根據(jù)輸出負(fù)載情況來控制電源的開關(guān)管的閉合的。一旦輸出電壓過高或者過低時，控制電路將會改變電壓的波形以適應(yīng)開關(guān)管，從而達(dá)到校正輸出電壓的目的，因此增加一個開關(guān)電源就相當(dāng)于在電路當(dāng)中加了一個緩沖器，達(dá)到了穩(wěn)壓的作用，從而解決電壓跌落問題。

以某額定功率為80 VA的高電位治療儀舉例，穩(wěn)壓電路的參數(shù)設(shè)定如下：

開關(guān)電源，輸入電壓（AC85 V-265 V），輸出電壓（DC12 V/7 A）；逆變電源，輸入DC12 V，輸出AC220 V/100 W，通過挑選發(fā)

圖4 高電位治療儀產(chǎn)品原理圖

圖5 高電位治療儀增加穩(wěn)壓電路后的原理圖

射水平較低的開關(guān)電壓和逆變電源，最后治療儀順利通過電壓跌落試驗。

當(dāng)然還有一個方法，就是采用UPS電源，但缺點是成本高，而且體積太大，從多方面考慮，均不適宜用于治療儀產(chǎn)品，因此不予考慮。

3 結(jié)語

以上本文通過對醫(yī)用治療儀產(chǎn)品的EMC測試情況進(jìn)行分類，針對具體的不合格項目，分析并總結(jié)了一系列的改善措施。當(dāng)然，由于產(chǎn)品設(shè)計和具體用途不同，在實際的測試整改過程中，應(yīng)具體問題具體分析，真正做到對癥下藥，確保產(chǎn)品盡快通過EMC測試。

[1] YY0505-2012, 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[S].

[2]朱文立. 電子產(chǎn)品的浪涌（雷擊）防護[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗, 2005,23(b12):118-123.

[3]劉竹林.關(guān)于電源電壓跌落問題的解決方案[J].十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報, 2011,24(2):107-108.

[4]鄭軍奇. EMC電磁兼容設(shè)計與測試案例分析[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2010.

Analysis and Summary of EMC Test for Medical Treatment Instruments

WEN Yu-biao, HUANG Yong, FU Ji-lin, YE Yu
(Guangdong Medical Devices Quality Surveillance and Test Institute, Guangzhou 510663)

Through the classification of medical treatment instruments, aiming at the common unqualified items on EMC of two types of products with low-voltage output and high-voltage output respectively, the typical products are selected to analyze, so as to summarize the improvement measures corresponding to the unqualified items, for the reference to solve EMC problems of medical treatment instruments.

medical treatment instrument; low voltage output; high voltage output; unqualified; improvement

R197.39

B

1004-7204（2017）03-0011-04

溫宇標(biāo)（1987-），男，廣東籍，學(xué)士學(xué)位，項目工程師，主要從事醫(yī)療器械電磁兼容檢測，對策等研究工作。