醫(yī)療電子產(chǎn)品的電源系統(tǒng)電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)

林玉漢

惠東縣第二人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程部 (廣東惠州 516321)

20世紀(jì)以來，世界各國都在研究如何解決電磁輻射和電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)的問題，包括EMI問題(輻射強(qiáng)度的預(yù)估、定位輻射噪聲源、抑制輻射噪聲等)及減少周圍環(huán)境對醫(yī)療電子設(shè)備的EMI。如果醫(yī)療設(shè)備受到EMI，則設(shè)備無法正常工作，醫(yī)師就有可能誤診，威脅患者的生命安全。研究和解決電磁輻射和EMI問題不僅能夠降低醫(yī)療事故發(fā)生率，還能為患者和從事醫(yī)療服務(wù)的人員提供一個(gè)安全穩(wěn)定的治療環(huán)境。醫(yī)療電子行業(yè)中醫(yī)療設(shè)備非常復(fù)雜，因?yàn)樵卺t(yī)療電子產(chǎn)品中有大量的電子芯片。目前，電磁兼容(EMC)是檢驗(yàn)醫(yī)療設(shè)備性能的重要指標(biāo)之一，研究EMC問題也是今后醫(yī)療電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。通過對醫(yī)療電子產(chǎn)品的電源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠增強(qiáng)產(chǎn)品的抗干擾能力，提高產(chǎn)品的安全性能，更好地為醫(yī)療患者和工作者服務(wù)，促進(jìn)我國醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步。

1 EMC

EMC是一門交叉型的學(xué)科，且其綜合性非常強(qiáng)，涵蓋了物理學(xué)的電磁場理論知識、電子電力技術(shù)和材料等技術(shù)。EMC指的是當(dāng)設(shè)備在電磁環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，周圍的電磁環(huán)境不能干擾其正常的工作，設(shè)備的電磁發(fā)射一般不會(huì)影響周圍設(shè)備的運(yùn)行。EMC包括EMI和電磁敏感性(electromagnetic sensitivity，EMS)兩個(gè)主要內(nèi)容[1]，EMS指的是在非常復(fù)雜的電磁環(huán)境中設(shè)備的工作能力，EMI則是當(dāng)系統(tǒng)在工作時(shí)沒有干擾到周圍的其他設(shè)備。產(chǎn)品想要滿足EMC必須要滿足上述兩個(gè)方面的條件。我國大部分醫(yī)療設(shè)備的EMC測試中都包含EMI和EMS兩個(gè)方面，EMI又包含傳導(dǎo)發(fā)射、輻射發(fā)射、諧波電流發(fā)射和電壓波動(dòng)閃爍[2]。EMS的測試項(xiàng)目有浪涌、靜電放電、電壓跌落、輻射抗擾度和傳導(dǎo)抗擾度等。耦合路徑、EMI源以及敏感設(shè)備(接收器)被稱為是EMI的三要素，通常，通過分析這3個(gè)要素，EMI問題都能夠找到解決的辦法。

2 電源系統(tǒng)抗干擾器件

2.1 濾波器

在設(shè)備運(yùn)行過程中，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常會(huì)發(fā)生繼電器的通斷切換及負(fù)載變化等問題，這些變化都會(huì)對設(shè)備的正常工作和運(yùn)行造成一定的影響。根據(jù)EMC設(shè)計(jì)的需求，相關(guān)設(shè)計(jì)人員會(huì)在設(shè)備的電源入口位置設(shè)計(jì)好合適的濾波器，好的濾波器能夠防止內(nèi)部產(chǎn)生的電磁波向外擴(kuò)散，也能夠抑制高頻電流。但需要注意是，在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)必須遵循阻抗不匹配的原則，并且濾波器的頻段要盡量寬泛[3]，在實(shí)際設(shè)計(jì)和工作過程中，阻抗的測量非常難實(shí)現(xiàn)，因此設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行對比試驗(yàn)，以此來選擇濾波器。

2.2 抗敏電壓

對電源端口設(shè)計(jì)的主要目的是防止浪涌的干擾。在電源端口進(jìn)行抗浪涌干擾設(shè)計(jì)時(shí)，第一步需要加入耦合網(wǎng)絡(luò)，其作用是為了將規(guī)定的浪涌加在被測試的電纜上，從而有效測試相關(guān)設(shè)備對浪涌的抗干擾能力。在控制浪涌時(shí)，我們主要采用的是放電管、二極管及抗敏電壓等抗干擾性能比較強(qiáng)的器件，因?yàn)榇蟛糠挚姑綦妷旱碾娙荻急容^大，因此，一般在一些高頻場合中都不能使用[4]。

3 電源系統(tǒng)的抗干擾器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 導(dǎo)電襯塑

在醫(yī)療電子產(chǎn)品中，導(dǎo)電襯墊是一種非常常見的材料，其主要功能有：(1)降低電子產(chǎn)品接頭處的電阻值，增加兩個(gè)接觸面間的搭接性；(2)保障導(dǎo)電的連續(xù)性，填和金屬外殼之間的空隙，避免設(shè)備或者產(chǎn)品內(nèi)部的電磁信號傳導(dǎo)到周圍環(huán)境中，造成電磁污染。材料的導(dǎo)電性能如何、塑性的好壞及抗腐蝕性能是醫(yī)療電子產(chǎn)品的導(dǎo)電襯墊需要重點(diǎn)考慮的，由于導(dǎo)電布、金屬絲網(wǎng)及導(dǎo)電橡膠能夠滿足以上要求[3]，因此比較常用，但是在設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意清潔工作，如果會(huì)接觸設(shè)備表面的噴漆，則需要先將噴漆用砂紙打磨干凈。

3.2 鐵氧體磁環(huán)的選擇和安裝

通常，醫(yī)療電子產(chǎn)品的電源線沒有屏蔽層，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部的高頻共模電流流進(jìn)電源線時(shí)，就會(huì)成為輻射噪聲發(fā)射的天線。為了抑制輻射噪聲，需要在電源線上夾套磁環(huán)。磁環(huán)是一種環(huán)形的導(dǎo)磁體，在應(yīng)用時(shí)需要注意在標(biāo)準(zhǔn)的暗室環(huán)境內(nèi)進(jìn)行相關(guān)測試。在應(yīng)用鐵氧體磁環(huán)時(shí)一定要注意防止漏磁，盡量安裝在一些噪聲源位置，為了避免發(fā)生漏磁現(xiàn)象，需要將磁環(huán)包緊電源線。在安裝磁環(huán)時(shí)第一步需要做的是估計(jì)輻射的頻率，若是輻射發(fā)生的頻率較低，則可以選擇質(zhì)量較好的鐵氧體磁環(huán)，如果輻射發(fā)生的頻率較高，則可以采用質(zhì)量較為普通的鐵氧體磁環(huán)。

3.3 電壓暫降、跌落和短時(shí)中斷的抗擾度優(yōu)化

在實(shí)際應(yīng)用過程中，對于一些有開關(guān)電源的醫(yī)療電子產(chǎn)品通常會(huì)對電壓的暫降、跌落和短時(shí)中斷的測試有著非常好的抗干擾性能。當(dāng)電壓發(fā)生變化時(shí)，其變化尤為敏感，主要表現(xiàn)為電動(dòng)機(jī)短時(shí)間內(nèi)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)品的指示燈或者顯示屏出現(xiàn)異常等。一些使用線性電源的產(chǎn)品，主要利用電解電容的儲(chǔ)能功能為芯片安裝電解電容，當(dāng)產(chǎn)品的功耗較低時(shí)可以在入口處加裝電解電容。

3.4 PCB系統(tǒng)級電源的EMC優(yōu)化

通常，我們可以將PCB上的電源系統(tǒng)優(yōu)化分為兩大類，第一類是PCB電源的全局優(yōu)化電路，也被稱為系統(tǒng)級電源的EMC優(yōu)化；第二類是針對開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)。市場上大部分的醫(yī)療電子產(chǎn)品對于開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)都有缺點(diǎn)，如一般都會(huì)將開關(guān)電源模塊轉(zhuǎn)換的直流電直接為PCB的所有器件和芯片供電，開關(guān)電源的輸出直流中所含有的高頻波紋利用的電容不能夠滿足其要求，因此，相關(guān)工作人員和設(shè)計(jì)人員還需加強(qiáng)探索和研究，可以探索用電容器配合電感形成濾波結(jié)構(gòu)來減小高頻噪聲，濾除高頻的波紋。

4 結(jié)語

盡管我國醫(yī)療電子產(chǎn)品已經(jīng)取得了很大的發(fā)展和進(jìn)步，但是就我國現(xiàn)階段的發(fā)展情況而言，還存在許多問題需要進(jìn)一步地研究和解決。本研究主要探討了醫(yī)療電子產(chǎn)品的EMC性，對電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的材料和器材做了一些論述，我們認(rèn)為，通過合理的使用和設(shè)計(jì)這些材料和電子器材，能夠大幅度增加電源系統(tǒng)的抗干擾能力，從而減少電磁輻射，為醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展提供有利的條件。