家用醫(yī)療霧化產(chǎn)品輻射發(fā)射整改案例

馮云，王月英（通信作者），吳少帥，李揮

1 河北華燁冀科信息技術(shù)有限責任公司 （河北石家莊 050081）；2 河北省醫(yī)療器械與藥品包裝材料檢驗研究院 （河北石家莊 050061）

醫(yī)用電氣設(shè)備的功能性是設(shè)計人員較為重視的指標，但是電磁兼容（electromagnetic compatibility，EMC）設(shè)計問題易被忽視，且較多的企業(yè)沒有系統(tǒng)性地進行產(chǎn)品的EMC設(shè)計，致使無法從根本上全面地提高產(chǎn)品的EMC質(zhì)量水平。輻射發(fā)射測試項目為EMC檢測中最為重要也是較難通過的測試項目，是測試醫(yī)用電氣設(shè)備在正常工作時通過空間輻射頻率在30 MHz至1 GHz的電磁波是否滿足標準要求。本研究針對某家用醫(yī)療霧化產(chǎn)品未通過輻射發(fā)射項目進行定位分析，制定切實可行的優(yōu)化方案，明確了干擾源，并采取發(fā)射路徑處理和干擾源處理兩種整改方案；通過設(shè)計整改方案，從產(chǎn)品的設(shè)計階段解決EMC的問題，且將EMC設(shè)計貫穿于產(chǎn)品開發(fā)的全過程，提高醫(yī)用電氣設(shè)備EMC通過率。

1 產(chǎn)品測試背景

某家用醫(yī)療霧化產(chǎn)品在進行國內(nèi)注冊檢驗EMC測試中，輻射發(fā)射項目按GB4824-2013分類為B類[1-3]的測試結(jié)果嚴重超標，見圖1。

圖1 未通過測試結(jié)果

2 產(chǎn)品工作原理

該產(chǎn)品由電源適配器和主機組成，適配器內(nèi)置AC/DC轉(zhuǎn)換電路，輸出直流5 V為主機供電并分為兩路，一路將5 V轉(zhuǎn)3.3 V為單片機系統(tǒng)供電，另一路將5 V轉(zhuǎn)換為12 V為霧化模塊提供驅(qū)動電壓。MCU控制開關(guān)機和霧化功能的開啟或關(guān)閉，該產(chǎn)品系統(tǒng)組成見圖2。

圖2 產(chǎn)品系統(tǒng)組成

3 原因分析

解決EMC問題產(chǎn)生的3個要素，即發(fā)射源、發(fā)射路徑、敏感裝置[4]。輻射發(fā)射測試暗室內(nèi)測試天線為敏感裝置，且已經(jīng)固定無法改變，要解決超標問題就要找到發(fā)射源和發(fā)射路徑，分析頻譜超標頻段特性。此超標頻段集中在90～200 MHz，且屬于包絡(luò)超標，頻段較高通常說明共模發(fā)射干擾占主要因素，連續(xù)的包絡(luò)波形通常由模擬干擾源產(chǎn)生。分析設(shè)備的原理框圖可知，設(shè)備使用了DC/DC電源轉(zhuǎn)換模塊和AC/DC電源適配器，且設(shè)備適配器輸出線長1.5 m。根據(jù)波長頻率計算公式，1.5 m等效200 MHz以上干擾信號的有效發(fā)射天線，由于1/4波長即可達到發(fā)射的最大強度，所以對于1.5 m的線纜，50 MHz以上的干擾信號均可以借助其發(fā)射到空間，因此，引起本設(shè)備超標的主要發(fā)射源可能為DC/DC電源轉(zhuǎn)換模塊或AC/DC電源適配，發(fā)射路徑應(yīng)為適配器輸出線纜。

4 驗證過程

明確干擾源來源，需驗證干擾來自AC/DC電源適配器或是來自DC/DC電源轉(zhuǎn)換模塊。首先在適配器輸出線近適配器端加磁環(huán)測試，測試結(jié)果見圖3，整體下降但未能通過；然后在適配器輸出線上近主機端加磁環(huán)測試，測試結(jié)果見圖4，超標頻率整體下降可通過；在近干擾源頭增加鐵氧體磁環(huán)，降低干擾傳輸路徑長度，通過吸收的方式降低干擾源向空間發(fā)射的能量強度，根據(jù)圖3和圖4對比可知在圖4整體頻段下降明顯，可確認干擾源為主機內(nèi)部的DC/DC轉(zhuǎn)換器。

圖3 適配器輸出線近適配器端加磁環(huán)測試結(jié)果

由于電路中有多個電壓轉(zhuǎn)換芯片，使用頻譜儀掃描定位發(fā)現(xiàn)其中一個DC/DC升壓芯片附近產(chǎn)生的干擾與超標頻段基本相對應(yīng)。該芯片為采用開關(guān)工作方式，芯片內(nèi)部有高速1.2 MHz開關(guān)電路，查看該芯片的PCB布局，發(fā)現(xiàn)芯片PCB未按照芯片手冊中要求布線，見圖5～6。圖6中實際地回路走線過長、有穿孔，且環(huán)路面積過大，差模干擾轉(zhuǎn)換的共模干擾電流過大，通過適配器輸出線發(fā)射出去[5-7]。

圖4 適配器輸出線上近主機端加磁環(huán)測試結(jié)果

圖5 芯片手冊建議布局

圖6 電路板實際布局

5 整改措施

由共模輻射等效公式 E=4π×10-7（fLI）sinθ/r可知，發(fā)射的強度取決發(fā)射源的共模電流強度、等效天線的長度、發(fā)射源工作頻率及發(fā)射源距場強測量點的距離。由于天線位置固定，DC/DC轉(zhuǎn)換芯片工作頻率固定，可從降低等效天線長度、降低共模電流強度等方面進行整改[8-10]。

方案1：發(fā)射路徑處理，最簡單直接的整改方法不需要更改適配器和主機，選擇適配器輸出線近主機端帶磁環(huán)的適配器，或在適配器輸出線近主機端線上纏繞磁環(huán)兩圈，測試結(jié)果見圖4。

方案2：干擾源處理，更改PCB板，優(yōu)化升壓芯片的地回路（通過優(yōu)化差模環(huán)路的方式，降低共模電流強度）；基于結(jié)構(gòu)尺寸限制2層PCB板的布線、地回路已經(jīng)達到最好，將PCB板更改為4層板，開關(guān)芯片地回流路徑依據(jù)芯片手冊布局；地回路大大減小，測試結(jié)果見圖7，測試結(jié)果通過且余量較大。

圖7 方案2整改測試結(jié)果

上述兩種方案都可以解決輻射發(fā)射超標的問題，但各有利弊，方案1整改效率高，但成本增加較大，方案2成本增加較小，但需要投入時間重新設(shè)計。

6 小結(jié)

通過對某家用醫(yī)療霧化產(chǎn)品進行輻射發(fā)射項目測試，分析并驗證問題的產(chǎn)生，定位發(fā)射路徑和干擾源，綜合產(chǎn)品成本和更改時間成本，提出兩種解決方案。但兩種方案各有優(yōu)劣，因此，建議廠家只有從產(chǎn)品的設(shè)計初期引入EMC設(shè)計思想，且EMC設(shè)計應(yīng)該貫穿于產(chǎn)品開發(fā)的全過程，才能避免整改成本，節(jié)約整改時間，確保產(chǎn)品通過EMC測試。