醫(yī)療電子設(shè)備設(shè)計(jì)人員要了解的電磁兼容

醫(yī)療電子設(shè)備的設(shè)計(jì)人員面臨著新的挑戰(zhàn)。生產(chǎn)廠商越來越重視如何使高靈敏度設(shè)備對瞬態(tài)干擾和射頻干擾具有抗擾性。另外,發(fā)射也是一個(gè)重要的問題,尤其是使用高速時(shí)鐘電路的設(shè)備。高靈敏度模擬電路由于受到漏電流的限制和機(jī)箱表層的特殊處理要求,導(dǎo)致很多模擬電路儀器中的放大器和比較器電路在輻射場小于1V/M時(shí)停止工作。

病人界面上的漏電流限制,使信號電纜解耦和屏蔽等典型的電磁兼容設(shè)計(jì)技術(shù)不再適用于醫(yī)療設(shè)備。這個(gè)問題推動了有效的加固方法的發(fā)展。關(guān)鍵點(diǎn)經(jīng)常在印刷電路板布局和內(nèi)部連接的選擇上。用傳輸線和高頻阻抗控制等方法經(jīng)常可以獲得滿意的電磁兼容解決結(jié)果,這一點(diǎn)滴使對于低頻模擬電路也是正確的。

1． 保護(hù)評估:

了解需要保護(hù)的程度,比如箱體、電纜屏蔽、電路濾波和給定的電路要滿足的要求是最重要的。下面給出一種估算的方法:

1） 首先確定射頻干擾量級,單位用V/m（例如3V/m）;

2） 乘以預(yù)期的均勻場;當(dāng)在全鐵氧體布置的房間內(nèi)試驗(yàn)時(shí),乘以2;當(dāng)在半無反射室中試驗(yàn)時(shí),乘以4。（本例中。假定全鐵氧體布置的房間,乘以2,產(chǎn)生6V/m場）

3） 將場強(qiáng)的單位轉(zhuǎn)換成分貝（6V/m=136dBuV/m）

4） 對于雙調(diào)諧偶極子天線間的耦合,扣除基本調(diào)諧偶極子天線的損耗因子,大約14dB;

5） 如果頻率在電纜、PCB走線或設(shè)備尺寸（20log10（f3/f0）,式中f3是電纜、PCB走線、設(shè)備長度的四分之一波長頻率）的諧振長度以下,則要減去理想損耗（-20lg（f3/f0））。比如,36英尺長的電纜,其四分之一波長諧振頻率是83.3MHz。如果f0是26MHz,那么則應(yīng)減去10dB。

6） 在100的負(fù)載電阻上得到的數(shù)值為136-14-10=112dBuV 。

7） 將112 dBuV轉(zhuǎn)換成線性單位,這將產(chǎn)生一個(gè)400mV的感應(yīng)電壓。隨著負(fù)載阻抗的增加,感應(yīng)電壓也增加。對于100K的負(fù)載,電壓將差不多增加2V。

8） 對于帶內(nèi)頻率,將典型電路的帶內(nèi)噪聲域值與0.4-2V相比。此例中,假定26MHz在放大器的有效帶寬內(nèi),那么可用電路的噪聲域值,比如5mV,直接與干擾值相比,就得到了必需的保護(hù)水平。在這個(gè)例子中,所需的保護(hù)在20 lg（0.4/0.005）到20 lg（2/0.005）。

以上僅是個(gè)近似值,建議采取嚴(yán)格的分析方法。但通過以上的評估,對包需的保護(hù)環(huán)節(jié)的一個(gè)大致的了解。

2． 電路響應(yīng):

眾所周知,放大器對26MHz的干擾的響應(yīng)似乎不合情理,但是,IC芯片內(nèi)部的保護(hù)二極管能夠?qū)馍漕l感應(yīng)信號進(jìn)行直流整流,引起放大器發(fā)生直流偏置,并使其進(jìn)入飽合狀態(tài)。另一個(gè)可能是二極管的非線性阻止了射頻干擾,但允許對載波進(jìn)行調(diào)制,使其與所期望的信號一致。

加固模擬電路的方法如下:

1） 把所有電路視為射頻電路。不管工作頻率如何,均視為高頻電路,并正確對其進(jìn)行加固以防止高頻干擾。-將電纜屏蔽層單端接地的做法雖然能夠防止電路受到低頻地環(huán)路的影響,但會使電纜受到四分之一波長頻率以上的頻率的遠(yuǎn)場感應(yīng)電壓的影響。必須使射頻防護(hù)措施地整個(gè)試驗(yàn)頻段內(nèi)（150KHz~1GHz）都有效。

2） 僅在一端接地屏蔽。在高頻時(shí),干擾差不多都是以共模形式出現(xiàn)或在元件引腳至地（機(jī)殼）之間,而元件引腳與引腳之間則沒有。因此,元件引腳至地的回路需要加以處理。在高頻時(shí),外部電場地屏蔽電纜上感應(yīng)出電流。電流的電主的最大值出現(xiàn)地四分之一波長為電纜長度的頻率點(diǎn)上。在電纜諧振頻率以上,電纜的屏蔽層開始失效。

3） 屏蔽體兩端接地。如虹電纜屏蔽層在兩端接地,其主要受干擾頻率將發(fā)生在半波長等于電纜長

度的頻率上。本例中為150MHz。如果屏蔽層的接地端不是同軸方式,而是依靠小端接,則在諧振頻率的奇數(shù)倍的頻率上,屏蔽將失去作用。單根小辮的屏蔽層端接地意味著,最大的半波電流將僅通過小辮流動,而在小辮的周圍產(chǎn)生極強(qiáng)的磁場。

4） 地端接同軸電纜屏蔽層。只有使屏蔽層上的電流通過多點(diǎn)接地,這些電流產(chǎn)生的磁場才會相互削弱,從而保護(hù)連接器中的信號針。所的連接器應(yīng)是金屬的,并應(yīng)通過直接的金屬與金屬接觸連接到機(jī)箱上（連接器和機(jī)箱都應(yīng)是導(dǎo)電光潔表面）。應(yīng)使用屏蔽護(hù)套。例如常用的D型連接器。最好使用鍍錫的“壓紋”D型連接器。

5） 將屏蔽與非屏蔽引線安排到不同的連接器中。所的資金積累用濾波的方式來加固的信號插針應(yīng)布置在一個(gè)連接器中。連接器中的所有插針都應(yīng)濾波。各濾波電容的容量差別不超過10倍。屏蔽的百屏蔽引線不要穿過同一連接器。所的屏蔽引線應(yīng)綁扎在一起。這樣它們可采用標(biāo)準(zhǔn)地端接法來處理。對于多層屏蔽電費(fèi)可通過一金屬導(dǎo)電帶短接在一起,或者使用專門的連接器護(hù)套,將每一層屏蔽都連接到連接器的外殼上。

3． 濾波電容值。

如果在信號引線上采用線到機(jī)殼的濾波,那么其電容量會受到允許的泄漏電流的限制。濾波器中的共模電感的電感量如果較大,則電容的容量可以小些,同時(shí)仍然能夠滿足大多數(shù)電路所需要的低通濾波插損值。

1） 對低頻模擬電路采用紡織網(wǎng)屏蔽電纜。通常模擬電路設(shè)計(jì)人員們有一個(gè)共識:屏蔽電費(fèi)的屏蔽層只能在一端接地。這樣做的目的上防止屏蔽層中的地環(huán)路電流會在負(fù)載電阻上感應(yīng)出噪聲電壓。絞線可以有效減小“地環(huán)路”磁場耦合。因此,為了提高靈敏模擬電路的抗擾性,應(yīng)采用每英尺18絞距的雙絞線屏蔽電纜,并且屏蔽層兩端接地。

2） 內(nèi)部I/O信號盡量在PCB 上傳輸,而不是通過引線。連接器上出來的引線應(yīng)通過線路板上的直線傳輸。好,這些直線直接連到I/O連接器的針上。這樣,信號直線可以獲得最大的共模阻抗,從而減小高頻于擾耦合。

4． PCB設(shè)計(jì)

正如數(shù)字電路的線路板一樣,PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)置完整的地面和電源面,所的地線面應(yīng)該連在一起。這些地線面應(yīng)通過電容接到機(jī)殼,其電容值根據(jù)機(jī)箱允許的泄漏值來確定。接地關(guān)鍵是地回路必須具有最小的電感。要是使用直流接地,電源地應(yīng)相對于機(jī)殼浮起來,而僅在母板可底板上通過一點(diǎn)與機(jī)殼連接在一起。

5． 瞬態(tài)干擾

通常,靜電放電和電快速瞬變脈沖群對數(shù)字電路的危害大于對模擬電路的影響。靜電放電在5~200MHz的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈射頻輻射.此輻射能量的峰值經(jīng)常出現(xiàn)在35MHz~45MHz之間發(fā)生自激振蕩.許多I/O電纜的諧振頻率也通常在這個(gè)頻率范圍內(nèi),結(jié)果,電纜中便串入了大量的靜電放電電輻射能量.

當(dāng)電纜暴露在4~8KV靜電放電環(huán)境中時(shí),I/O電纜終端負(fù)載上可以測量到的感應(yīng)電壓可達(dá)到

600V。這個(gè)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了典型數(shù)字的門限電壓值0。4V。典型的感應(yīng)脈沖持續(xù)時(shí)間大約為400ns。將I/O電纜屏蔽起來,且將兩端接地,使內(nèi)部信號引線全部處于屏蔽層內(nèi),可以減小干擾60~70Db。負(fù)載上的電感電壓只有0。3V或更低。

電快速瞬變脈沖群也產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)的輻射發(fā)射,從而耦合到電 的機(jī)殼線路。電源線濾波器可以對電源進(jìn)行保護(hù)。線——地之間的共模電容是抑制這種瞬態(tài)干擾的有效器件,它使干擾旁路到機(jī)殼,而遠(yuǎn)離內(nèi)部電路。當(dāng)這個(gè)是容的容量受到泄漏電流的限制而不能太大時(shí),共模扼流圈必須提供更大的保護(hù)作用。這通常要求使用專門的帶中心抽頭的共模扼流線圈,中心抽頭通過學(xué)習(xí)一只電容連接到機(jī)殼。共模扼流圈通常在高導(dǎo)磁率鐵氧體芯上,其典型電感值為15~20Mh。

6． 結(jié)論

實(shí)現(xiàn)電磁兼容的最好辦法將所的數(shù)字及模擬電路均視為高頻響應(yīng)信號響應(yīng)電路,用高頻設(shè)計(jì)方法來處理PCB布線和共模濾波。采用整塊地平面

和電源面也很重要,對模擬電路也該如此,這樣做有利于限制高頻共模環(huán)路。大多數(shù)瞬態(tài)干擾均屬于高頻,并產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射能量。通常,該輻射能量通過I/O電纜耦合進(jìn)入設(shè)備。一般情況下是通過模擬線路串入設(shè)備,然后再次耦合到高速數(shù)電路,使其產(chǎn)生誤動作。通過對所有模擬和數(shù)字電路的引線進(jìn)行濾波,便可對這些電路進(jìn)行保護(hù)。

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