醫(yī)用電氣設(shè)備傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)及案例分析

溫宇標(biāo) 黃勇 劉海 伍倚明 廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所 （廣東 廣州 510663）

內(nèi)容提要：通過(guò)對(duì)傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)方面的原理簡(jiǎn)單分析，分析了使用耦合去耦網(wǎng)絡(luò)和注入鉗兩種不同方法的布置，進(jìn)一步探討了該項(xiàng)目的難點(diǎn)，并例舉若干實(shí)際案例，加深了對(duì)該試驗(yàn)理論方面的應(yīng)用和認(rèn)識(shí)，也為醫(yī)用電氣設(shè)備傳導(dǎo)抗擾度方面的問(wèn)題提供了相關(guān)整改思路。

醫(yī)用電氣設(shè)備與人們的健康和安全息息相關(guān)，因此設(shè)備本身在使用過(guò)程中的安全也逐漸引起了人們的重視，電磁兼容方面的性能是醫(yī)用電氣安全的重要部分。其中，電磁兼容由發(fā)射和抗擾度兩部分組成，所有的醫(yī)用電氣設(shè)備都應(yīng)該盡可能地提高抗擾度方面的能力，以確保醫(yī)生和患者在使用設(shè)備過(guò)程更安全更有效。本文主要對(duì)抗擾度中的一個(gè)常見(jiàn)項(xiàng)目傳導(dǎo)抗擾度進(jìn)行分析，結(jié)合測(cè)試原理和布置，分析其中的難點(diǎn)，同時(shí)例舉了幾個(gè)不合格的案例，進(jìn)一步加深對(duì)醫(yī)用電氣設(shè)備傳導(dǎo)抗擾度這個(gè)試驗(yàn)的理解和應(yīng)用。

1.測(cè)試原理及方法

傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)（CS）根據(jù)YY0505-2012的要求，醫(yī)用電氣設(shè)備的CS測(cè)試的范圍是150kHz～80MHz[1]。在通常情況下，CS的騷擾源來(lái)自射頻發(fā)射機(jī)的電磁場(chǎng)，會(huì)作用于和設(shè)備有連接的整條電纜。雖然被干擾設(shè)備的尺寸要比騷擾信號(hào)的波長(zhǎng)小很多，相比之下，設(shè)備引線(xiàn)（包括電源線(xiàn)，通信線(xiàn)和各種互連線(xiàn)等）的長(zhǎng)度則可能達(dá)到干擾波的幾個(gè)波長(zhǎng)或以上。當(dāng)有騷擾電流流經(jīng)設(shè)備，則設(shè)備的引線(xiàn)就變成了被動(dòng)天線(xiàn)接收到射頻場(chǎng)的感應(yīng)，最終以射頻電壓或電流形成的近場(chǎng)電磁場(chǎng)影響設(shè)備的工作[2]。此外，CS試驗(yàn)分為兩種，包括電源端口和信號(hào)、互連線(xiàn)端口的CS試驗(yàn)，以此來(lái)評(píng)估相關(guān)電氣設(shè)備對(duì)傳導(dǎo)騷擾的抗干擾能力。

對(duì)醫(yī)用電氣設(shè)備進(jìn)行本試驗(yàn)之前，首先應(yīng)分析設(shè)備的端口以及電纜情況，以便決定使用何種方法進(jìn)行干擾試驗(yàn)。一般而言，對(duì)電源端口可以使用耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的方法，根據(jù)供電情況選用，單相帶地的設(shè)備選擇CDN-M3，不帶地則選擇CDN-M2，如果是三相設(shè)備，則選擇CDN-M5。對(duì)于信號(hào)和互連線(xiàn)端口的注入，一般采用鉗注入的方法，包括電流鉗和電磁鉗，需要注意的是，YY 0505標(biāo)準(zhǔn)要求了醫(yī)用電氣設(shè)備患者耦合電纜應(yīng)使用電流鉗注入，只有電流鉗不適用情況下才使用電磁鉗。此外，患者耦合點(diǎn)應(yīng)端接模擬手，并且用510Ω和220pF電容串聯(lián)的RC元件連接到參考地平面，作為高阻抗射頻路徑的模擬。對(duì)于患者耦合電纜端，如果無(wú)法提供150Ω輔助設(shè)備阻抗，則用電流鉗注入，而患者耦合端不去耦也符合了實(shí)際情況。所有患者耦合電纜應(yīng)逐個(gè)地或成束地進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于非患者耦合電纜的試驗(yàn)，如EUT互連線(xiàn)，I/O線(xiàn)，適配器輸出線(xiàn)等應(yīng)遵循電磁鉗優(yōu)先原則[3]。

2.測(cè)試布置

由GB/T 17626.6-2017標(biāo)準(zhǔn)可知，CS的試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M了EUT處于實(shí)際騷擾源形成的電場(chǎng)和磁場(chǎng)之中，實(shí)現(xiàn)的方法就是使EUT盡可能連接到兩個(gè)150Ω共模阻抗之間，其中一個(gè)阻抗提供了射頻信號(hào)源，而另外一個(gè)則提供了電流回路[2]。其中，流經(jīng)EUT的共模電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的示意圖見(jiàn)圖1。

如前面所述，對(duì)于使用耦合去耦網(wǎng)絡(luò)（CDN）的試驗(yàn)布置，標(biāo)準(zhǔn)中有明確的描述，具體包括了EUT的射頻信號(hào)端與電流回路端的搭接情況，部件之間的距離要求等都做出了規(guī)定，測(cè)試時(shí)應(yīng)盡量按照進(jìn)行布置，見(jiàn)圖2所示。

CDN的作用主要有兩個(gè)，一是耦合的功能，主要通過(guò)電阻和電容的組合，使干擾信號(hào)耦合到EUT的相應(yīng)線(xiàn)纜上。二是去耦的功能，即通過(guò)電感和電容的組合，使輔助測(cè)試端產(chǎn)生高阻抗，盡可能地避免干擾信號(hào)的流入對(duì)非受試設(shè)備造成干擾，促使干擾電流盡可能地流向EUT的方向，從而對(duì)非受試設(shè)備起到保護(hù)的作用。

同樣，對(duì)于使用注入鉗的方式，具體的試驗(yàn)布置示意圖如圖3所示。

3.難點(diǎn)分析

①對(duì)于某些使用特定工作頻率的產(chǎn)品，而且探頭的頻率工作在0.15～80MHz這段范圍內(nèi)，例如超聲治療類(lèi)的設(shè)備，探頭在幾兆赫茲到幾十兆赫茲不等；②交流供電端缺乏相關(guān)濾波措施的設(shè)備；③信號(hào)線(xiàn)缺乏屏蔽和濾波措施，信號(hào)處理方面對(duì)干擾信號(hào)極為敏感的設(shè)備；④高等級(jí)的干擾電平，對(duì)設(shè)備的干擾較大。

圖1.流經(jīng)EUT 的共模電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的示意圖

圖2.使用CDN 的試驗(yàn)布置示意圖

4.整改案例及分析

通常，設(shè)備在CS試驗(yàn)中出現(xiàn)的不合格現(xiàn)象和原因不盡相同，但解決的辦法一般有以下幾種：①完善屏蔽；②良好接地；③加強(qiáng)濾波[4]。

通常屏蔽的方法是最直接有效的，下面舉兩個(gè)案例進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

4.1 案例1

設(shè)備：某多功能健康檢查儀，主要用于體溫，血壓、脈搏和血氧等參數(shù)的測(cè)量。

問(wèn)題描述：對(duì)體溫探頭線(xiàn)進(jìn)行電流鉗的CS測(cè)試時(shí)，出現(xiàn)體溫?cái)?shù)據(jù)不再變化，采集的數(shù)據(jù)傳輸中斷的現(xiàn)象。

對(duì)策說(shuō)明：對(duì)體溫探頭線(xiàn)內(nèi)增加金屬屏蔽層以屏蔽外部的電磁干擾，如圖4所示，重新測(cè)試合格。

圖3.使用注入鉗的試驗(yàn)布置圖

圖4.體溫探頭線(xiàn)增加屏蔽前后對(duì)比圖

4.2 案例2

設(shè)備：某牙科綜合治療機(jī)。

問(wèn)題描述：對(duì)腳踏開(kāi)關(guān)線(xiàn)進(jìn)行電流鉗注入的CS測(cè)試，出現(xiàn)牙科椅升降卡頓、停止現(xiàn)象。

對(duì)策說(shuō)明：經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)該腳踏開(kāi)關(guān)線(xiàn)是非屏蔽線(xiàn)，干擾信號(hào)可以直接作用到線(xiàn)上，隨后進(jìn)入主板，從而影響牙科椅的正常升降功能。

整改情況：把腳踏開(kāi)關(guān)線(xiàn)換成帶屏蔽的腳踏開(kāi)關(guān)線(xiàn)，復(fù)測(cè)合格。

然而，有些時(shí)候看似屏蔽，實(shí)際沒(méi)有達(dá)到完全屏蔽，例如“豬尾巴”現(xiàn)象，或者屏蔽層有漏洞和巨大縫隙，對(duì)于實(shí)際整體的屏蔽效果而言則大打折扣，下面舉例分析。

4.3 案例3

設(shè)備：某溫度和脈搏血氧儀。

問(wèn)題描述：在傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)中使用鉗注入的方法，干擾過(guò)程出現(xiàn)脈搏參數(shù)異?，F(xiàn)象。

對(duì)策說(shuō)明：通過(guò)分析樣品，發(fā)現(xiàn)血氧探頭線(xiàn)纜已經(jīng)是屏蔽線(xiàn)纜，但是轉(zhuǎn)接頭處有一小段卻沒(méi)有屏蔽，因此最后決定加強(qiáng)屏蔽措施。

整改情況：如圖5整改前后血樣探頭公插示意圖中紅色箭頭所示，將血氧探頭的公插改為增加鐵殼屏蔽的公插，不合格問(wèn)題得到解決。

當(dāng)然，面對(duì)復(fù)雜的EMC問(wèn)題，通常不能只靠單一手段來(lái)解決，而應(yīng)該多管齊下，例如下面這種案例所示。

4.4 案例4

設(shè)備：某低頻治療儀。

問(wèn)題描述：在CS測(cè)試過(guò)程，對(duì)信號(hào)線(xiàn)施加干擾，出現(xiàn)信號(hào)輸出不穩(wěn)定現(xiàn)象。

對(duì)策說(shuō)明：通過(guò)分析，干擾從信號(hào)線(xiàn)直接耦合進(jìn)去主機(jī)，因此考慮從源頭進(jìn)行處理。

整改情況：處理方案是把信號(hào)線(xiàn)更換為屏蔽線(xiàn)，同時(shí)在主機(jī)端線(xiàn)纜入口處并聯(lián)一個(gè)103的電容進(jìn)行濾波，復(fù)測(cè)結(jié)果合格。

屏蔽和濾波雖然效果很好，但是或多或少會(huì)涉及到產(chǎn)品成本或者工藝的變化，比較而言，良好的接地有時(shí)候可以成為成本最低的EMC設(shè)計(jì)和整改措施，當(dāng)然要視具體情況而定，下面舉例簡(jiǎn)要分析。

4.5 案例5

設(shè)備：某聽(tīng)力計(jì)。

問(wèn)題描述：對(duì)電源端進(jìn)行CS試驗(yàn)，出現(xiàn)鍵盤(pán)無(wú)法操作的現(xiàn)象。

對(duì)策說(shuō)明：分析原因是CS干擾對(duì)鍵盤(pán)上的芯片電路造成了干擾，而這塊電路板上原有一個(gè)接地點(diǎn)，但分析發(fā)現(xiàn)該接地線(xiàn)很細(xì)，同時(shí)螺絲墊片出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，且墊片接口處噴漆過(guò)多，以上種種原因?qū)е掳遄涌此平拥?，?shí)則懸空，接地阻抗較大，從而導(dǎo)致對(duì)地電位發(fā)生變化，造成了干擾現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖5.整改前后血樣探頭公插示意圖

圖6.鍵盤(pán)和金屬底架之間加強(qiáng)接地處理

整改情況：更換鍵盤(pán)和金屬底架上連接的接地線(xiàn)，對(duì)接口處的噴漆進(jìn)行打磨處理，保證良好接地，如圖6所示，最終復(fù)測(cè)合格。

5.小結(jié)

對(duì)醫(yī)用電氣設(shè)備而言，CS試驗(yàn)也是容易出現(xiàn)不合格的項(xiàng)目之一，整改難度較大。但只要對(duì)該試驗(yàn)的測(cè)試目的、原理及相關(guān)要求充分了解，同時(shí)對(duì)設(shè)備的工作模式、原理、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行深入分析研究，就能找到“準(zhǔn)快多省優(yōu)”的解決方案。