醫(yī)療器械電磁騷擾測試整改中常見的材料選取方法

余元駿 劉心 郭綺

摘要：介紹醫(yī)療器械電源端騷擾和輻射騷擾測試整改中常見的材料選取方法，為工程師在設計時提供指引。通過對濾波器、X電容、磁環(huán)、屏蔽材料的性能作介紹，分析不同材料在電磁騷擾整改中的應用。應根據(jù)電磁騷擾測試結(jié)果，結(jié)合產(chǎn)品的設計，分析不合格原因，選取合適的材料抑制耦合路徑上出現(xiàn)的電磁騷擾信號。

關鍵詞：材料;電磁兼容;耦合路徑;選取方法;抑制

中圖分類號：R197.39 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）12-0053-04

自2014年1月1日起，國內(nèi)有源醫(yī)療器械注冊需提供電磁兼容測試報告。由于醫(yī)療器械行業(yè)電磁兼容領域起步較晚，企業(yè)在設計產(chǎn)品時未作電磁兼容考慮，因此產(chǎn)品在電磁兼容測試時通常需要作不同程度的整改，尤其是電磁騷擾方面，測試不合格率較高。電磁騷擾的整改需從騷擾的三要素出發(fā)考慮，即騷擾源、耦合路徑、敏感設備，屏蔽、濾波、接地則是抑制騷擾的“三大法寶”[1]，因此整改的方案多種多樣，而準確選取材料是決定整改方案有效的關鍵，以下將從耦合路徑整改方案中介紹幾種常見的材料選取方法。

1 電源端騷擾不合格整改中常見的材料

1.1濾波器（圖1）

電源端騷擾是指被測設備使用時對公共電網(wǎng)產(chǎn)生的電磁騷擾，該騷擾信號通過電源線進入電網(wǎng)，頻率范圍分布在150kHz～30MHz，GB4824-2013規(guī)定了被測設備在此頻段的限值要求閉，因此在設備電源部分接入濾波器可在被測設備和公共電網(wǎng)的耦合路徑上有效濾除騷擾信號。

1.1.1插入損耗

插入損耗是衡量濾波器性能的最重要指標，表示某電路在接入濾波器前后騷擾電信號的衰減程度如公式（1），根據(jù)定義，用電壓來計算插入損耗的表達式[3]：

式中，IL為某一頻率的插入損耗;EL2為接入濾波器前負載ZL上呈現(xiàn)的騷擾電壓，V;EL1，為接入濾波器后負載ZL上呈現(xiàn)的騷擾電壓，V。

濾波器生產(chǎn)廠在出廠時會按濾波器型號提供相應的插入損耗測試曲線圖（圖2、圖3）。需注意的是濾波器品種繁多，應根據(jù)設備電源端騷擾測試結(jié)果選取適合的濾波器。從圖1中可看出，該濾波器在頻率1MHz后插入損耗值逐漸升高到50dB左右，如果設備測試結(jié)果顯示騷擾值超標集中在5MHz～10MHz，則該濾波器可有效濾除騷擾信號。但如果騷擾值超標集中在0.15MHz～0.5MHz，則濾除效果不理想，需選擇低頻段插入損耗高的濾波器，如圖2所示，濾波器插入損耗值在頻段O.1MHz～10MHz均能達到50dB左右。一般情況下，測試結(jié)果超過標準限值在30dB以下。

1.1.2功率

在選取濾波器時除考慮插入損耗值以外，額定功率/電流也是濾波器關鍵指標之一，應根據(jù)設備工作時的實際功率/電流選擇合適的濾波器，額定功率/電流在銘牌上會標注。例如，設備功率為1000W，功率因子1.00，額定工作電壓為220V，則工作電流計算出為4.5A左右，若選用額定電流為3A的濾波器，則會造成濾波器失效。

1.1.3漏電流

醫(yī)用電氣設備通用安全標準GB 9706.1-2007規(guī)定設備對地漏電流不能超過0.5mA[4]，而濾波器結(jié)構(gòu)中通常包含Y電容，跨接于相線與地線之間，由于電容的充放電特性，若Y電容值過大會造成設備漏電流測試超標。部分醫(yī)用濾波器生產(chǎn)廠家會在技術規(guī)格書中說明漏電流測試值，廠家未提供漏電流時，可根據(jù)濾波器銘牌標示的Y電容值粗略計算漏電流公式（2）：

式中，C為取2倍Y電容值;U為取電源額定電壓220V;F為取電源額定頻率50Hz。

1.2 X電容（圖4）

濾波器由于體積過大且成本較高，并不一定適用于所有醫(yī)療設備的電源端騷擾整改方案，特別是無接地結(jié)構(gòu)的醫(yī)療設備，合適的電容在一定程度上也可濾除騷擾信號。X電容連接與相線之間，用于濾除相線之間的騷擾信號。

1.2.1電容特性阻抗（圖5）

電容值一定時，特性阻抗呈現(xiàn)下降趨勢，理論上選取大的電容可濾除高頻信號，但需注意的是實際使用中電容在頻率升高時，特性阻抗中感抗分量隨頻率增加，從下降逐漸變?yōu)樯仙?，故在選取電容時應關注電容的特性阻抗曲線。對于采購量較小的醫(yī)療設備生產(chǎn)廠，電容供應商通常不提供電容的技術資料，一般情況下X電容選取O.1μF～0.47μF為宜，用于濾除頻率在1MHz以下的差模騷擾信號較為有效。

2 輻射發(fā)射不合格整改中常見的材料

2.1磁環(huán)（圖6）

輻射騷擾是指被測設備工作時向空間傳播的電磁騷擾，該騷擾信號由于頻率較高，可直接設備向空間發(fā)射，頻率范圍分布在30MHz～1GHz，GB4824-2013規(guī)定了被測設備在此頻段的限值要求[5]。作為電磁兼容設計常見的器件，主要功能是吸收噪聲，通過鐵氧體材料的波損特性將雜波轉(zhuǎn)化為熱量，從而達到濾波效果[6]，設備的線纜類似天線，往往是將騷擾信號發(fā)射出去的路徑，在設備的線纜上繞制合適的磁環(huán)可阻斷耦合路徑，降低對外輻射騷擾值。磁珠與磁環(huán)的原理類似，因體積較磁環(huán)小很多，常用于電路板上的線路設計。

2.1.1磁環(huán)特性阻抗

衡量磁環(huán)的重要指標主要是特性阻抗，表示磁環(huán)在特定頻段吸收騷擾信號的能力。磁環(huán)生產(chǎn)廠可提供磁環(huán)的特性阻抗測試曲線（見圖7、圖8），磁環(huán)的特性阻抗取決于材料、尺寸。通常，錳鋅磁環(huán)適用于低頻輻射超標，鎳鋅磁環(huán)適用于高頻輻射超標，外徑較厚的磁環(huán)吸收電磁波能力較強，內(nèi)孔徑小的磁環(huán)屏蔽性能較好，卡扣式磁環(huán)使用方便，但屏蔽性能較差，建議根據(jù)設備測試結(jié)果結(jié)合各磁環(huán)的特性阻抗選取合適的磁環(huán)。

從圖7和圖8可以看出特性阻抗分別從10MHz～400MHz和300MHz～1000MHz呈高阻趨勢，可繞制于工作頻率及截止頻率在此頻率范圍的線纜上。

2.1.2磁環(huán)的繞制特性

磁環(huán)在線纜上的繞制匝數(shù)也會影響特性阻抗，通常特性阻抗峰值隨匝數(shù)增加往低頻方向移動，如圖9所示?？筛鶕?jù)超標的頻段和線纜的長短選擇繞制匝數(shù)，一般不超過5匝，如果繞制匝數(shù)過多會增加匝間電容，從而增加工模干擾信號的通路，降低吸波性能。

2.2屏蔽材料

輻射發(fā)射整改中除磁環(huán)、磁珠外，還常用到屏蔽材料，用于封堵設備外殼縫隙，如觸摸屏與電路板之間的縫隙、金屬機箱連接處之間的縫隙等，也可用于屏蔽局部的騷擾源，如芯片和其他高頻器件外表面的屏蔽，可對騷擾源進行屏蔽以切斷到空間的發(fā)射路徑。常見的屏蔽材料包括：導電布、導電泡棉、吸波材料等，如圖10所示。

2.2.1衰減性能

衰減性能作為衡量屏蔽材料質(zhì)量的最重要指標，同種材料的屏蔽性能取決于厚度，越厚的材料衰減性能越好，如圖11所示。

2.2.2使用性能

不同成份的屏蔽材料衰減性能不同，但均需滿足使用性能要求，如阻燃性、耐熱性、粘貼強度、剝離強度等，一般采用聚酯纖維、聚氨酯、熱塑性橡膠浸鍍鎳、碳、金、鋁、銅等物質(zhì)。目前市面上常見的屏蔽材料均能滿足基本的使用性能，但在選材時還應注意材料的使用期限，質(zhì)量較好的材料使用期限長，可用于產(chǎn)品量產(chǎn)設計方案。

3 結(jié)語

電磁騷擾作為電磁兼容測試的重要考核項，關系著產(chǎn)品對公共無線電業(yè)務的影響程度，在測試出現(xiàn)不合格整改時，首先應分析不合格原因，重點在耦合路徑上尋求解決方案，材料的選取是決定整改有效的關鍵。然而，在產(chǎn)品的設計之初引入電磁兼容的標準，在結(jié)構(gòu)、工藝和器件選取上考量，才是最有效和經(jīng)濟的解決思路，產(chǎn)品成型后再考慮電磁兼容對策，會存在整體重新設計的風險。

參考文獻

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