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醫療設備中的EMI問題檢測分析

嘉峪檢測網        2018-08-09 16:26

自2014年起中國實施YY0505-2012標準,強制要求醫療電子設備通過電磁兼容標準檢測。四年來,大量的醫療電子設備未能通過其中的傳導EMI噪聲檢測,需進一步處理其傳導EMI噪聲,以改進其電磁兼容性能。整改傳導噪聲超標的醫療電子設備,首要在于分析其傳導噪聲的產生機理,其次是在噪聲診斷結果的基礎,采取有效的噪聲抑制措施。

 

01 瞬態電源電流引起的傳導EMI 噪聲


數字電路中包含各種數字芯片(integrated circuit,簡稱IC),每個IC都集成了大量的邏輯電路。圖1(a)中,CMOS邏輯門開關時產生的瞬態電流。當邏輯門由低電平向高電平切換時,由于電容兩端電壓不能產生突變,在芯片電路中,會產生瞬態電流IL,此電流會給負載電容CL充電。

醫療設備中的EMI問題檢測分析

同時,在邏輯門由高到低和由低到高的轉換中,圖1(a)中兩個晶體管部分導通,在電源VCC和地之間,將產生一個較小的等效阻抗。該阻抗消耗的等效瞬態電流為Id。IC產生的總瞬態電流,如圖1(b)所示,為IL和Id的總和。

 

當數字IC切換時,會產生瞬態電源電流,經過地與直流電源負極形成回路,在直流電源線上引起差模傳導EMI噪聲。

 

02 接地不良引起的傳導EMI 噪聲


被測設備的接地系統接地不良是引起傳導EMI噪聲的重要原因。接地阻抗不為零,導致接地電流引起接地噪聲電壓,產生傳導EMI噪聲。當接地阻抗過大時,會引起過多的傳導EMI噪聲。

 

當接地阻抗過大時,傳導EMI噪聲等效電路如圖2(a)所示。其中,ICM為接地噪聲電流,圖中以等效電流源表示;ZCM為接地阻抗,同時也是噪聲源等效內阻;Zload為設備火線對地或零線對地之間的負載阻抗;Uload負載阻抗兩端上的傳導EMI噪聲信號,是共模EMI噪聲信號。Uload的表達式,如下式所示:

醫療設備中的EMI問題檢測分析

圖:公式一

由上式可知,接地阻抗ZCM越大,則引起的傳導EMI噪聲越大。

    
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另外,當接地阻抗一定,即共模傳導EMI噪聲源內阻抗一定時,電源線對地之間的負載阻抗也一定時,浮地與真正的地之間的寄生阻抗也會引起傳導EMI噪聲。

 

圖2(b)中,設UCM為EUT的共模傳導EMI噪聲源,其噪聲源內阻抗為ZCM,設備火線對地和零線對地之間的阻抗等效為線路上的負載阻抗Zload,負載阻抗上的噪聲電壓Uload即為火線對地和零線對地的傳導EMI噪聲。由于接地不良,浮地與真正的地之間存在寄生電容和寄生電感。ZS為包含了寄生電容和寄生電感組成的寄生阻抗,與線路負載阻抗串聯形成新的等效負載阻抗ZL,其上的傳導EMI噪聲為UL,二者之差ΔU,即為因接地不良引起的共模傳導EMI噪聲。如式下式所示:

醫療設備中的EMI問題檢測分析

圖:公式二

03 串擾引起的傳導EMI 噪聲


 醫療電子設備中一些搭載高頻時變信號的線纜上含有大量的傳導EMI 噪聲,通過串擾的方式使得其它線纜上也感應出傳導EMI噪聲。尤其是通訊系統的數字控制線中,搭載著來自PCB數字器件上的高頻數字信號,在其周圍產生射頻電磁場,將數字控制線中的高頻EMI噪聲耦合感應至其周圍的線纜上,造成串擾,在被干擾的線纜上引起傳導EMI 噪聲。

 

根據法拉第感應定律,串擾引起的傳導EMI噪聲等效于電感耦合。如圖3所示,假設線纜1為醫療電子設備系統內部載有傳導EMI噪聲的線纜,線纜2為設備火線或零線。V1為線纜1上的傳導EMI噪聲,R1為線纜1與地之間的電阻,VN為線纜2上因串擾引起的傳導EMI 噪聲,R2為線纜2與地之間的電阻。

 

假設線纜2是無源的閉合環路,環路面積為常數,線纜1在線纜2中產生磁通量,其磁通密度隨時間正弦變化,M為線纜1和線纜2兩個電路之間的互感,則線纜2上的感應傳導EMI噪聲電壓如下式表示,其中ω為角頻率。

醫療設備中的EMI問題檢測分析

圖:公式三

醫療設備中的EMI問題檢測分析

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04 電容耦合引起的傳導EMI噪聲


 醫療電子設備的傳導EMI噪聲測試頻段為高頻情況,要考慮寄生電容的影響,而線纜間通過電容耦合也會引起傳導EMI 噪聲。

醫療設備中的EMI問題檢測分析

如圖4 所示,假設線纜1為醫療電子設備系統內部載有傳導EMI 噪聲的線纜,線纜2為設備火線或零線。線纜1上的傳導EMI噪聲通過電壓源V1表示,C1G是線纜1與地之間的電容,C12是線纜間的寄生電容,C2G是線纜2與地之間的電容,R為電路2與地之間的電阻,VN是線纜2上通過電容耦合引起的傳導EMI噪聲。根據等效電路圖,可求得因電容耦合在線纜2上引起的與地之間的傳導EMI噪聲電壓VN ,計算方法如下式所示:

醫療設備中的EMI問題檢測分析

圖:公式四

根據以上內容分析,IC的高速切換引起的瞬態電源電流經地流通至直流電源回路中,從而引起傳導EMI噪聲。若通過電源去耦將這些瞬態電流在流出IC管腳后返回至電源VCC管腳,則可有效抑制瞬態電源電流引起的傳導EMI噪聲。

 

由式(1)和式(2)可知,接地不良會引起過量的傳導EMI噪聲,因此,在設計接地系統時,須加強接地,將接地阻抗減到最小,同時減小浮地與真正的地之間的寄生阻抗。如果設備制造商出于成本考慮,不愿意重新設計PCB電路,還可以通過共模扼流圈與電容組合成濾波器來抑制接地不良引起的共模傳導EMI噪聲。

 

由式(3)可知,串擾引起的傳導EMI噪聲與線纜間的互感M和噪聲源線纜上的噪聲電流I1成正比,因此,可以通過減小互感M和噪聲電流I1抑制傳導EMI噪聲。M由幾何形狀和線纜間的媒介磁特性決定,采用雙絞線可有效減小耦合。在系統線纜上卡磁環、在線纜兩端對地并電容可減小噪聲電流。由式(4)可知,電容耦合引起的傳導EMI噪聲與線纜間的互電容及噪聲源線纜上的噪聲電壓成正比。因此,可通過增加線纜間距、屏蔽線纜的方式減小電容耦合。

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來源:南京師范大學學報

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