有源醫(yī)療器械電快速瞬變脈沖群測(cè)試及問(wèn)題分析

薛正元 單旭 遼寧省檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證中心 （遼寧 沈陽(yáng) 110171）

內(nèi)容提要： 電快速瞬變脈沖群試驗(yàn)是有源醫(yī)療器械電磁兼容測(cè)試的一項(xiàng)關(guān)鍵試驗(yàn)，對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求相對(duì)較高。文章對(duì)該項(xiàng)目不合格原因的分析和整改方法的介紹，以便于生產(chǎn)企業(yè)能更快的通過(guò)測(cè)試。

電快速瞬變脈沖群試驗(yàn)是一種將由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群耦合到電氣和電子設(shè)備的電源端口、控制端口、信號(hào)端口和接地端口的一種試驗(yàn)。切換或斷開(kāi)控制系統(tǒng)中的感性負(fù)載，常會(huì)產(chǎn)生這類瞬態(tài)騷擾，這些瞬態(tài)通常以脈沖群的形式出現(xiàn)。這類干擾的特點(diǎn)是：脈沖成群出現(xiàn)、脈沖的重復(fù)率較高、脈沖波形的上升時(shí)間短暫、單個(gè)秒沖的能量較低。

1.電快速瞬變脈沖群試驗(yàn)

對(duì)于醫(yī)用電氣設(shè)備，根據(jù)YY0505的要求，設(shè)備和系統(tǒng)，在交流和直流電源線的抗擾度試驗(yàn)電平為±2kV，信號(hào)線和互連電纜的抗擾度等級(jí)為±1kV。電快速瞬變脈沖群試驗(yàn)的試驗(yàn)脈沖施加在電源線和參考接地平板之間，重復(fù)的脈沖群。脈沖群的周期為300ms，重復(fù)頻率5kHz時(shí)，每一個(gè)脈沖串持續(xù)15ms，重復(fù)頻率100kHz時(shí)，每一個(gè)脈沖串持續(xù)0.75ms，每個(gè)脈沖串由數(shù)個(gè)無(wú)極性的單個(gè)脈沖波形組成，單個(gè)脈沖的上升沿5ns，持續(xù)時(shí)間50ns。

對(duì)于電源端口的試驗(yàn)，采用耦合去耦網(wǎng)絡(luò)是首選的方法，其原理是通過(guò)33nF的電容，在每個(gè)電源端子最近的保護(hù)節(jié)點(diǎn)之間直接耦合電快速瞬變騷擾電壓。對(duì)于長(zhǎng)度大于3m的I/O電纜、信號(hào)電纜或數(shù)據(jù)電纜試驗(yàn)，優(yōu)先采用容性耦合夾來(lái)施加試驗(yàn)電壓。

2.受試設(shè)備出問(wèn)題的原因及表現(xiàn)

在大多數(shù)情況下，受試產(chǎn)品出現(xiàn)的問(wèn)題是由濾波不充分產(chǎn)生的。對(duì)于適用于較低頻率的濾波器，即使具有很強(qiáng)的濾波作用，由于其布局的問(wèn)題和附近交叉能量耦合，因此也可能在EFT產(chǎn)生的騷擾頻率范圍內(nèi)不起作用。I/O電纜、信號(hào)電纜或數(shù)據(jù)電纜EFT試驗(yàn)的不合格，通常是由連接器端口缺少濾波或缺少瞬態(tài)抑制而導(dǎo)致的。主要表現(xiàn)在以下三方面。

2.1 電源線處

電源線進(jìn)入點(diǎn)或電源處的濾波不充分，干擾通過(guò)電源線直接傳導(dǎo)進(jìn)設(shè)備的電源，導(dǎo)致電路上有過(guò)大的噪聲干擾。

2.2 I/O電纜、信號(hào)電纜或數(shù)據(jù)電纜

I/O連接器外殼和產(chǎn)品殼體之間的搭接阻抗不夠?。浑娎|屏蔽層與外殼或屏蔽殼體的搭接不正確或搭接阻抗太大；信號(hào)線、數(shù)據(jù)線、所有類型的輸出線和所有互連電纜的濾波不充分或缺少瞬態(tài)防護(hù)裝置。

2.3 其他

既然電快速瞬變脈沖群為高頻現(xiàn)象，那么外殼不正確的屏蔽、受試線與其他線纜的交叉耦合噪聲或各種寄生效應(yīng)都可能會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題；關(guān)鍵電路出射頻旁路不夠好，如CPU的復(fù)位線。

典型的不合格表現(xiàn)（由于電快速瞬變脈沖群產(chǎn)生的主要為高頻問(wèn)題，受試的醫(yī)用電氣產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)的不合格情況）：系統(tǒng)的重新啟動(dòng)或死鎖；模擬或數(shù)字電路收到破壞；顯示屏上出現(xiàn)錯(cuò)誤讀數(shù)；數(shù)據(jù)丟失及傳輸停止、變慢或中斷；高誤碼率；產(chǎn)品的狀態(tài)改變；電路受到破壞等。

3.設(shè)備故障的分析與處理

由于電快速瞬變脈沖群通常都是隨機(jī)出現(xiàn)的，如果不使用某些形式的電快速瞬變脈沖群模擬器，那么要進(jìn)行故障排除則是很困難的，所以自行排除故障時(shí)，需要有相應(yīng)的模擬器，在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的情況下，需要占用更多的實(shí)驗(yàn)室資源和花費(fèi)更多的費(fèi)用，需要設(shè)備生產(chǎn)商進(jìn)行權(quán)衡。當(dāng)施加電快速瞬變脈沖群時(shí)，需要對(duì)電壓脈沖和所產(chǎn)生的電流脈沖進(jìn)行阻止或轉(zhuǎn)移，這樣才能有效對(duì)故障進(jìn)行排除。電感器或鐵氧體扼流圈可阻止電快速瞬變脈沖群電流，而電容器或瞬時(shí)防護(hù)器可對(duì)電流進(jìn)行轉(zhuǎn)移。理想情況下，電快速瞬變脈沖群電流應(yīng)能直接返回到被測(cè)設(shè)備（EUT）外殼，從而旁路掉任何敏感電路附近的電流脈沖。轉(zhuǎn)移或阻止電流的最佳位置為I/O端口或電源端口處。

理論上所有的I/O端口及直流電源或者交流電源都應(yīng)進(jìn)行合適的濾波。對(duì)于I/O端口，通常應(yīng)使用為其設(shè)計(jì)的共模扼流圈、瞬態(tài)防護(hù)裝置或?yàn)V波器可解決出現(xiàn)的任何問(wèn)題。否則，I/O電纜或電源電纜能將所產(chǎn)生的電流脈沖完全地傳輸進(jìn)電路，造成設(shè)備故障。

3.1 I/O電纜、信號(hào)電纜或數(shù)據(jù)電纜測(cè)試問(wèn)題

如果對(duì)I/O電纜、信號(hào)電纜或數(shù)據(jù)電纜測(cè)試時(shí)存在問(wèn)題，則應(yīng)考慮以下的處理措施。

3.1.1 良好的連接

確保電纜屏蔽層與金屬殼體進(jìn)行了很好的搭接；確保連接器外殼與金屬殼體進(jìn)行了很好的搭接；確保PCB以外殼作為參考地并盡可能在接近連接器處與外殼進(jìn)行搭接。確保所有的I/O連接器的外殼與EUT的殼體進(jìn)行360?的搭接。這通常能將電流脈沖轉(zhuǎn)移到外殼而不會(huì)流過(guò)電路。

如果連接器有未使用的插針，應(yīng)把所有這些插針與EUT內(nèi)部的殼體進(jìn)行連接。浮地的插針會(huì)把輻射能量交叉耦合給其他電路，而與殼體搭接的插針能在連接器內(nèi)部建立某種類型的屏蔽層。

3.1.2 加裝

在脈沖群騷擾注入點(diǎn)和EUT之間接近I/O端口處加裝外部鐵氧體扼流圈，這能在線上提供足夠的阻抗以減少電快速瞬變脈沖群的脈沖幅值和所產(chǎn)生的電流；在所有信號(hào)線和電源線的連接器加裝TVS。在所有信號(hào)線上加裝共模扼流圈。應(yīng)指出的是，大多數(shù)質(zhì)量好的以太網(wǎng)連接器內(nèi)部都有共模扼流圈，所以只需購(gòu)買(mǎi)質(zhì)量好的網(wǎng)線即可，如果產(chǎn)品組成中有的話。這樣的加裝如果能夠通過(guò)測(cè)試的話，可以根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)，逐漸減少加裝，以免過(guò)度整改。在任何可疑的輸入或輸出端口處加裝簡(jiǎn)單的低通RC濾波器（電阻為47～100Ω，電容為1～10nF），但要驗(yàn)證濾波器不會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量，需要滿足通訊的基本要求。

3.2 電源線測(cè)試問(wèn)題

如果電快速瞬變脈沖群通過(guò)電源線干擾被測(cè)設(shè)備，使得測(cè)試通不過(guò)，則應(yīng)考慮以下措施：盡可能在接近產(chǎn)品連接器的電源線上加裝共模鐵氧體扼流圈，共模扼流圈實(shí)際是一種低通濾波器，需要注意調(diào)整扼流圈的匝數(shù)，必要時(shí)用兩個(gè)不同匝數(shù)的扼流圈串聯(lián)起來(lái)，兼顧高頻和低頻的要求。加裝外置電源線濾波器，在相線和中線之間、相線和外殼或安全地之間，以及中線和外殼或安全地之間，加裝瞬態(tài)電壓抑制器。一定要確保它們通過(guò)線電壓的安全定級(jí)。

3.3 特殊情況的處理

對(duì)于沒(méi)有金屬殼體的產(chǎn)品或被測(cè)設(shè)備，電快速瞬變脈沖群抗擾度的設(shè)計(jì)會(huì)更加困難，但也可以實(shí)現(xiàn)。電快速瞬變脈沖群抗擾度設(shè)計(jì)的概念是阻止或轉(zhuǎn)移任何脈沖電流，以避免干擾或破壞敏感電路。由于電快速瞬變脈沖群在某種程度上也具有輻射效應(yīng)，因此，輻射敏感度中的如下解決辦法也是適用的。由于沒(méi)有金屬外殼，良好的搭接就起不到作用，只能選擇加裝和其他辦法。

3.3.1 加裝

最佳辦法是在所有I/O連接器上加裝瞬態(tài)抑制器，它可將電流脈沖轉(zhuǎn)移到PCB的信號(hào)參考平面。一定要確保PCB的信號(hào)參考平面與外殼或金屬平板進(jìn)行了很好的搭接。

I/O線加裝共模扼流圈。如果共模扼流圈位于被測(cè)設(shè)備的里面，可能需要將其放置在靠近I/O線進(jìn)入設(shè)備的地方。在電纜上非?？拷B接器處，加裝鐵氧體扼流圈，能減少一部分電流脈沖。

信號(hào)線到PCB參考平面之間設(shè)計(jì)電容器，或者更好的是在信號(hào)線到外殼之間設(shè)計(jì)電容器（1nF或可能更?。?，能有助于轉(zhuǎn)移EFT電流，這種電容器最好盡可能地靠近I/O連接器。一定要確保其不會(huì)濾掉這些I/O線上的有用信號(hào)或數(shù)據(jù)。

3.3.2 增加金屬板

對(duì)于非屏蔽的產(chǎn)品，通過(guò)在PCB的下面增加金屬平板對(duì)PCB周?chē)腅FT電流進(jìn)行轉(zhuǎn)移。這種金屬平板應(yīng)與所有I/O連接器的導(dǎo)電后殼及外殼進(jìn)行連接。通過(guò)位移電流把EFT電流轉(zhuǎn)移到大地。

3.3.3 更改軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)軟件設(shè)計(jì)可能使產(chǎn)品對(duì)EFT產(chǎn)生固有的抗擾度。通過(guò)軟件控制的閾值信號(hào)的大小來(lái)增大或減小強(qiáng)度，起到增加抗擾度的作用，具體如何操作需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員參與。

4.檢驗(yàn)過(guò)程中典型的整改方法

4.1 檢查布線

如果問(wèn)題出現(xiàn)在屏蔽線上，那么應(yīng)確保屏蔽層在電纜兩端與屏蔽殼體進(jìn)行高質(zhì)量的360?低阻抗搭接。

沿著外殼布置電纜，在輸入端口附近布置的任何導(dǎo)線一定要使其院里這些端口。能量的交叉耦合會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，把敏感電路與產(chǎn)生這種能量的導(dǎo)線隔開(kāi)是一種經(jīng)濟(jì)的解決辦法。

一定要確保濾波器的安裝位置靠近連接器。與其他實(shí)驗(yàn)一樣，安裝在線纜上的遠(yuǎn)端濾波器能讓能量與敏感電路產(chǎn)生交叉耦合。

4.2 排除隱患

如果問(wèn)題是由對(duì)電路的直接交叉輻射產(chǎn)生的，那么應(yīng)使用鋁箔安全地包住整個(gè)外殼。如果這樣起作用，然后可以慢慢第剝掉鋁箔知道問(wèn)題再次出現(xiàn)。這樣可以識(shí)別敏感區(qū)域的位置或外殼上產(chǎn)生了問(wèn)題的縫隙或接合處。

4.3 快速處理方法

在可疑電纜上加裝鐵氧體是最快的，通常也是最先想到的辦法，一定要確保這些鐵氧體的放置位置要盡可能地靠近產(chǎn)品的I/O連接器或電源連接器。

對(duì)于I/O線、信號(hào)線或電源線，可能需要低通濾波器。開(kāi)始時(shí)的好方法，是在信號(hào)線上串聯(lián)47～100Ω的小電阻，同時(shí)在信號(hào)線與信號(hào)返回線之間使用1～10nF的電容器。如果可能，濾波器一定要使用最短的線纜。如果濾波器被直接安裝在PCB上，高頻時(shí)最好使用表面組裝的。

可能需要在呈現(xiàn)敏感的內(nèi)部電路節(jié)點(diǎn)上跨接1～10nF的電容器。對(duì)于以太電纜，一定要規(guī)定使用具有固有共模扼流圈的連接器。對(duì)于與內(nèi)部PCB相連的所有I/O線和電源線，最終的解決辦法是加裝瞬態(tài)電壓抑制器或共模扼流圈。PCB需要盡可能在接近I/O連接處以外殼作為基準(zhǔn)。

對(duì)于非屏蔽殼體，增加一個(gè)金屬平板，所有I/O和電源連接器的外殼應(yīng)與它的一面進(jìn)行連接。

上述簡(jiǎn)單闡述了電快速瞬變脈沖群的測(cè)試條件和常見(jiàn)故障及處理方法，由于醫(yī)療設(shè)備品種多樣、設(shè)計(jì)復(fù)雜、使用場(chǎng)合多樣及標(biāo)準(zhǔn)的不斷更新等因素，在進(jìn)行整改的時(shí)候要根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出更為合理的方案，這樣才能取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。