國外專家總結(jié)的醫(yī)療設(shè)備10個(gè)常見電磁干擾問題
遇到醫(yī)療設(shè)備電磁兼容整改的醫(yī)療器械從業(yè)者們，您們有沒有下文10個(gè)常見的電磁干擾問題呢？正文的這10種常見問題，對于醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)是非常重要的，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員如果能在工作中避免出現(xiàn)這些問題，也將是非常有價(jià)值的。
01 設(shè)備的接地電阻過高問題
醫(yī)療設(shè)備的接地電阻過高被列為十大問題之首，這是因?yàn)檫@種故障的發(fā)生概率最高，一臺設(shè)備的電磁發(fā)射問題、自兼容問題及抗干擾性問題，其根源都與設(shè)備的接地阻抗過高有關(guān)，通常這不是指普通的低頻接地問題，也不是指接地場所問題，而是由于局部(如電路板或電纜)的接地阻抗過高而引起的。高阻抗的接地路徑常常會導(dǎo)致電纜屏蔽失效并產(chǎn)共模電流。
在高頻下導(dǎo)線和編織線大都呈現(xiàn)高阻抗性，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)避免應(yīng)用導(dǎo)線或編織接地。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每英寸長導(dǎo)線的感抗為20nH。因此在，100MHz時(shí)，1英寸導(dǎo)線的感抗可以達(dá)到12Ω。所以，在射頻情況下，應(yīng)對任何長度導(dǎo)線的采用持慎重態(tài)度，采接地片是一個(gè)很好的辦法，接地片的長寬比至少要達(dá)到5:1。也就是說，對于一個(gè)5英寸長的接地片而言，其寬度至少應(yīng)為1英寸。
02 電纜線的屏蔽不足問題
當(dāng)設(shè)備遇到電磁發(fā)射或射頻抗干擾問題時(shí)，一般都會涉及電纜問題，電纜的接地阻抗在這里起到了很大作用。
“單點(diǎn)接地”的原則適用于低頻，但對射頻沒有多大效果。比較棘手的事情是:由于電纜不能終止于患者的終端，因此屏蔽就不能兩端接地。此外，當(dāng)設(shè)備不能有效接地甚至需要維持絕緣時(shí)，采取濾波有時(shí)比屏蔽更有效。
在低頻下，電纜的屏蔽層可以一端接地，但如果電纜的長度超過波長的l/20，電纜屏蔽層就需要兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地。這里特別要指出，當(dāng)電纜長度是波長的1/4時(shí)情況將最糟。順便提出，許多市售的電纜屏蔽層都是編織制品，這對解決射頻的電磁兼容性不利。此外，電纜的屏蔽層也很容易遭到破壞。例如，有些電纜屏蔽物是由聚酯薄膜制成的，不很結(jié)實(shí)，有時(shí)即使遭受輕微觸碰，也會造成屏蔽物的破裂，降低了屏蔽效果，而這種破裂很難用肉眼發(fā)現(xiàn)。
03 開關(guān)電源的發(fā)射問題
開關(guān)電源或AC/DC轉(zhuǎn)換器的電磁發(fā)射問題由來已久，開關(guān)電源的電路構(gòu)成及開關(guān)電源本身的布局和結(jié)構(gòu)往往使開關(guān)電源的電磁發(fā)射成為其推廣應(yīng)用中的一個(gè)大問題。盡管這個(gè)問題非常普遍，但在醫(yī)療電子學(xué)中卻顯得尤其重要，所以在醫(yī)療設(shè)備的電源體積和質(zhì)量不成問題的場合中，可以考慮采用傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源。對于電源部分，體積與質(zhì)量成為質(zhì)量性能的關(guān)鍵因素，因此如何選用具有優(yōu)良電磁兼容性能的開關(guān)電源便成為該醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。
04 電源線濾波器的采用問題
由于醫(yī)療設(shè)備的電磁發(fā)射不局限于其內(nèi)部選用的開關(guān)電源，因此電源進(jìn)線部分的線路濾波器也成為抑制高頻干擾的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在一般的電源線濾波器中都有兩個(gè)共模干擾的抑制電容(Y電容)，它可以使設(shè)備的共模電流得到控制，但在醫(yī)療設(shè)備的電源線濾波器中不宜用此類小電容，因?yàn)樗鼤?dǎo)致設(shè)備的泄漏電流過大。醫(yī)療設(shè)備對電源線濾波器的這一選擇原則使設(shè)計(jì)人員失去了一個(gè)抑制共模電流的有效手段，剩下來的唯一可用手段就是加大電源線濾波器中串聯(lián)電感的阻抗。
要想設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)良的電源線濾波器，濾波器的線路設(shè)計(jì)僅僅是很小的一部分，濾波器內(nèi)部元器件的選型、濾波器內(nèi)部布局和結(jié)構(gòu)及濾波器內(nèi)部元件的分布參數(shù)，才是決定電源線濾波器性能真正的關(guān)鍵因素。
05 液晶顯示器的電磁發(fā)射問題
隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，在醫(yī)療設(shè)備中采用單片機(jī)進(jìn)行控制的情況越來越多，在設(shè)備的面板上采用液晶顯示器作為人機(jī)對話界面的情況也越來越多，液晶的應(yīng)用也帶來了液晶顯示器的電磁發(fā)射問題。
液晶顯示器通常由電路板上專門引出的一根排線所驅(qū)動(dòng)，由于液晶顯示器的高阻抗特點(diǎn)，使送到液晶顯示器的信號電流不可能完全返回到這根電纜中，其中的一小部分會形成電磁輻射進(jìn)入周圍的電磁環(huán)境。
為了抑制液晶顯示器的電磁發(fā)射問題，首先需要利用盡可能短的回路將信號電流全部返回到驅(qū)動(dòng)電路板中。一個(gè)比較好的方法是通過在排線下面設(shè)置一個(gè)接地片，用以降低信號電流返回路徑中的阻抗。另外，作為液晶顯示器結(jié)構(gòu)的一部分，在液晶顯示器的背面要設(shè)一個(gè)金屬外殼的4個(gè)角都要接地。
06
設(shè)備內(nèi)部線路的相互藕合問題
在高頻狀態(tài)下，設(shè)備內(nèi)部線路之間會有一個(gè)相互藕合的問題，因此線路的布局不當(dāng)，特別是對患者檢測信號輸入線路的布局不當(dāng)，常常是導(dǎo)致醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)成敗的兩種截然不同的結(jié)果的直接原因。
在處理設(shè)備的電磁兼容上出現(xiàn)的問題時(shí)，常常會將電感器或鐵氧體磁芯置于線路的輸入與輸出之間，用以抑制設(shè)備內(nèi)部和外部的射頻干擾，這樣一來就使朝向噪聲源這一端的電感器帶有相當(dāng)大的高頻電壓。這種高頻電壓可通過電容性的耦合而作用到附近的金屬性物質(zhì)上，如接地層、電路板、散熱器等。因此，在采用這種處理干擾的抑制方案時(shí)要十分小心，要避免與一些敏感器件或敏感電路產(chǎn)生耦合。
另外，在用鐵氧體磁芯吸收線路上的干擾時(shí)，將鐵芯體磁芯放在連接線路的外部要比把它布放在電路板的效果會明顯一些。因?yàn)檫@種方式可避免干擾在磁芯后面的連接線路與敏感線路的耦合問題。
07 元器件的分布參數(shù)問題
在醫(yī)用設(shè)備中，所選用的元器件本身的缺陷也會限制其性能的發(fā)揮。我們知道，所有的電容器都存在寄生的串聯(lián)電感，兩者構(gòu)成了一個(gè)串聯(lián)諧振電路:而所有的線繞電感器都存在繞組匝間和層間的分布電容，兩者構(gòu)成了一個(gè)并聯(lián)諧振電路，這種電路的諧振頻率比想像中的頻率要低得多。
例如，許多電容器的諧振頻率低于100MNz；許多線繞電感器的諧振頻率低于20MHz，至于變壓器的諧振頻率更有低于5MHz以下者。因此，電路設(shè)計(jì)人員要充分了解這些元器件的實(shí)際性能，無論濾波器還是退耦元件，它們都具有在諧振狀態(tài)下工作的可能性，這將導(dǎo)線線路與線路之間的串?dāng)_問題，這種串?dāng)_不但能對線路造成損壞，還能導(dǎo)致信號傳輸情況變得非常糟糕。
08 信號傳輸中的阻抗不連續(xù)問題
隨著高速數(shù)字電路的廣泛應(yīng)用，印制電路板中的電磁兼容問題顯得越來越重要，而許多PCB問題可歸納為信號傳輸過程中的阻抗不連續(xù)問題。
信號傳輸中的阻抗不連續(xù)問題始終圍繞著信號的流通回路，理想中是信號沿著一條線路流出，然后迅速沿著接地回線流回。然而根據(jù)物理學(xué)中最小能量的消耗定律，電流通常是沿著最小能量路徑返回，這時(shí)信號的返回通路常常會出現(xiàn)阻抗不連續(xù)的情況，一旦這種情況發(fā)生，就會引起信號的反射，造成傳輸信號的畸變。另外，在傳輸線路的不連續(xù)處，還會導(dǎo)致輻射發(fā)射問題。
09 信號及其返回通路問題
對于設(shè)備的布線，人們往往認(rèn)為即使多用一根接地返回線路也會是一種浪費(fèi)。由于多數(shù)信號線與接地回路之間距離過遠(yuǎn)，因此一根接地回線要作為多跟信號線，甚至所有信號線的接地問線。這時(shí)，這根接地回線至少存在兩個(gè)問題。首先，由于這根接地回線與大部分信號線之間的距離都比較遠(yuǎn)，信號線與接地回線之間構(gòu)成的環(huán)天線就比較大，環(huán)天線對外的輻射發(fā)射及環(huán)天線對外界電荷干擾的接收問題都不容忽視;其次，這根信號線共用接地回線的公共阻抗問題不容忽視，特別是在信號線上傳輸?shù)男盘査俣容^高，信號的邊沿比較陡時(shí)，公共阻抗的相互干擾問題尤其嚴(yán)重。
實(shí)用中傳輸線路究竟需要多少根接地返回線路才算適當(dāng)，這要由數(shù)據(jù)的傳輸速率及傳輸線路的長度來決定。對于信號一超過100MHz的高速傳輸，建議采用一根信號對一根接地的返回線路，而對于小于10MHz的低速傳輸，可以折中采用兩根（或多根）信號對一根接地的返回線路。
10 設(shè)備外殼的靜電放電問題
靜電放電是一個(gè)經(jīng)常發(fā)生而且讓人感到頭痛的問題。以塑料外殼的醫(yī)療設(shè)備為例，為了降低塑殼設(shè)備的電磁發(fā)射和提高塑殼設(shè)備的抗射頻干擾能力，設(shè)計(jì)人員會在塑料外殼上進(jìn)行導(dǎo)電噴涂。為了使導(dǎo)電噴涂的效果明顯，通常要求對塑殼結(jié)合部位的縫隙全部進(jìn)行噴涂，以求達(dá)到結(jié)合而生幾的傳導(dǎo)連續(xù)性，但是這種做法又造成了新的靜電放電接觸點(diǎn)。也就是說，設(shè)計(jì)者在解決一個(gè)問題的同時(shí)卻又引進(jìn)了一個(gè)新的、非常棘手的問題。
為了解決上述問題，設(shè)一計(jì)人員可以有三種選擇:重新設(shè)計(jì)線路及內(nèi)部布局，盡量降低設(shè)備對導(dǎo)電噴涂的需要;重新對設(shè)備外殼進(jìn)行噴涂，盡量避免產(chǎn)生放電，特別仔細(xì)地使用遮蔽物，使可能產(chǎn)生放電的縫隙得到保護(hù)。
上面提到的10個(gè)電磁兼容問題有些已經(jīng)存在了幾十年，有些是近期才出現(xiàn)而且今后更加常見的。所有這些問題對于醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)是非常重要的，設(shè)計(jì)人員如果能在工作中避免出現(xiàn)這些問題，也就會避免更多不必要的麻煩。
