醫療器械電磁兼容性能的仿真分析方法

蔣魯杰，錢虹（通信作者）

上海市食品藥品監督管理局認證審評中心 （上海 200020）

按照國內醫療器械注冊法規要求，首次申報注冊的第Ⅲ類及第Ⅱ類醫用電氣設備，在注冊申報時應提交由醫療器械檢測機構出具的符合電磁兼容標準要求的檢測報告。在此之前申請注冊并獲得受理的和已獲準注冊的第Ⅲ類及第Ⅱ類醫用電氣設備，在重新注冊時再提交符合電磁兼容標準要求的相應檢測報告[1]。上述醫療器械檢測機構應具有原國家食品藥品監督管理局認可的電磁兼容標準承檢資格。

電磁兼容標準實施以來，暴露出一些問題：國內醫療器械生產企業在該方面技術儲備較少，缺乏相關基礎研究，導致生產樣機在醫療器械檢測機構檢測時，一次性通過電磁兼容檢測的可能性非常低，并且對醫療器械檢測機構的電磁兼容環境依賴度較高，從而造成后期整改工作量及時間成本均較高，耽誤產品上市時間。

如何保證產品順利通過電磁兼容測試，已成為醫療器械產品在研發設計時需要重點考慮的問題。為解決上述問題，電磁兼容仿真分析技術成為一種有效的技術評估手段，該技術還廣泛應用于電子通信等領域。

1 電磁兼容仿真研究的現狀和困難

電磁兼容仿真基于計算電磁學發展而來，融合了電磁場理論、數值分析方法和計算機軟件等理論。電磁場的算法是仿真的依據，其理論基礎便是麥克斯韋方程。麥克斯韋方程組是電磁場理論最高度概括的數學模型。在電磁兼容三維仿真中用到的典型計算方法包括有限元法（FEM）、有限積分法（FIT）等。

電磁兼容仿真是仿真領域的一個難題。大部分的電磁兼容問題與結構有關，因此首先要精確建模，要求模型包含設備中的各種細節，從而需要進行龐大的網格劃分來實現。但是過于龐大的網格，不但影響仿真效率，還經常導致仿真出錯。另一個難題是電磁兼容仿真是一個大帶寬的仿真。在一個固定頻率下，計算電磁場所需的時間可能較短，但是要想獲得整個頻段的仿真數據，可能需要很長的時間[2]。

2 電磁兼容仿真技術

醫療器械電磁兼容性能作為產品的基本性能指標，應如產品技術要求中其他性能指標一樣，在產品設計前期就應充分考慮并進行技術評估，以下介紹電磁兼容的仿真分析和評估方法。

2.1 基本概念

2.1.1 阻抗

阻抗描述了傳輸線和元件兩端電壓和電流的關系。在電路工作回路中，返回電流路徑感受到較大的阻抗時就會逃離其理論設計回流路徑，從而產生EMC問題。電容和電感的阻抗可用以下公式來表示：

注：式中ω為角頻率，ω=2πf，f為頻率，L為電感，C為電容。

從上面兩個公式中可以看出，電容的阻抗隨著頻率的增加而降低，而電感的阻抗隨著頻率的增加而增加[2]。

2.1.2 寄生參數

寄生參數是電磁兼容仿真技術中非常重要的概念，實際電路中的電感、電容、變壓器及PCB單板等元器件非理想器件，均存在一定的寄生參數，而這些寄生參數的存在往往是電磁兼容問題產生的源頭，而電磁兼容設計難以量化的原因之一則為“難以量化的寄生參數”。

在實際電容的規格書中，經常給出如圖1所示的阻抗-頻率圖，表明電容的實際阻抗隨著頻率先減小再增大，這是因為電器存在高頻寄生參數。

在高頻下，電容的兩個引腳及PCB布線均會產生相應的電容特性和電感特性。電容的實際阻抗值為：

注：式中Z為阻抗，R0為等效串聯電阻，f為頻率，L為等效串聯電感，C為電容。

圖1 電容阻抗頻率圖

根據以上分析，在電磁仿真中，電容模型通常要體現其另外兩個寄生參數（L和ESR），如圖2所示，這樣的仿真才具有精確性和實際意義。因此，研究阻抗和寄生參數對建立電磁兼容仿真模型和解決電磁問題有非常重要的意義。

圖2 電容的高頻等效電路

2.2 電磁兼容仿真建模流程

系統級的電磁兼容仿真往往是多模塊、全鏈路的仿真，為方便闡述，現以較簡單的開關電源DC/DC BUCK電路的傳導發射為例，簡述仿真建模流程。BUCK電路是所有開關電源拓撲結構的基礎，其他拓撲結構均可由其變換得出。

仿真的要點在于精準并簡化，即重要的部分如干擾源、傳播路徑等的模型應盡量準確，非關鍵相關部分應簡化，如此可在保證準確度的同時提高建模和仿真的效率。仿真建模和簡化模型均依靠對電路原理的理解和足夠的工程經驗。如圖3所示，將Q1和Q2的控制電路（脈沖發生電路）直接用較簡易的方波代替，將控制電路簡化；但電路中的Q1Q2LC的模型是電磁干擾產生和傳導的主要途徑，不可忽略，應重點建模。

圖3 BUCK電路

2.2.1 功率管建模

電磁兼容仿真往往是基于某一個電路仿真平臺進行級聯，推薦的平臺有Saber、Matlab等。圖3電路中MOSFETQ1和Q2為俗稱的“功率管”或“開關管”，這是因為BUCK電路中的主要電流分別流經了這兩個MOSFET，開關電源的主要功耗包含了此部分。

實際電路中，Q1和Q2交替開關，在各自開關瞬間，MOSFET Q1和Q2兩端電壓波形如圖4所示。圖4中的尖峰電壓攜帶有大量的高頻噪聲成分，是傳導輻射產生的源頭。經以上分析可知，功率管的模型應盡量準確。

在Saber軟件平臺中自帶MOSFET模型，往往以其制造工藝為基礎，如圖5所示。因MOSFET廠家及型號多樣，可考慮從以下方式建立模型：（1）使用軟件平臺自帶模型，缺點是未必包括所需型號規格，且未必準確；（2）從MOSFET廠家官網獲取相應模型，較為準確，缺點是未必能找到所需模型；（3）自建模型，根據軟件平臺模型模板，查找MOSFET元器件的Datasheet，找到如圖5中的Cgs、Cgd、Lg、Ls等寄生參數的準確數值。

圖4 功率管兩端電壓波形

圖5 MOSFET高頻模型

建模的準確性和仿真效率往往成反比，實際中可根據仿真預期目的決定采用哪種方式建模，有時使用簡單的模型也可達到預期效果。

2.2.2 功率電感建模

BUCK電路中輸出電感L是功率電感，承擔了開關電源中另一部分主要功耗。功率電感的建模可考慮以下方式：（1）使用較為簡單的高頻等效電路，如圖6所示，具體寄生參數值可通過查器件Datasheet及計算獲得；（2）使用矢網測得所對應電感的S參數，獲得pspice或spice模型，較為準確，但測試S參數需要對應的測試儀器、夾具；（3）利用PExprt或Maxwell建立較為準確的模型，如此可以考慮到電感的飽和效應、臨近效應等，模型中含線圈和磁芯的詳細信息，如圖7所示。由圖7可以看出，該模型還包含了豐富的空間電磁場信息，同時有利于分析具體電感器件的電磁輻射效應。值得注意的是，該方法同樣適用于大型開關電源中的功率變壓器。

圖6 功率電感的高頻等效電路

圖7 Maxwell電感模型

2.2.3 輸出電容建模

輸出電容的高頻寄生參數模型可采取以下方式建模：（1）使用較為簡單的高頻等效電路，如圖2所示，具體寄生參數值可通過查器件Datasheet及計算獲得；（2）使用矢網測得所對應電感的S參數，獲得pspice或spice模型，較為準確，但測試S參數需要對應的測試儀器、夾具；（3）若無上述測試條件，可在某些大廠家的官方網站獲得電容S參數模型。

2.2.4 PCB建模

PCB單板作為硬件電路的載體，是不可缺少的部分，且PCB單板的布線含有豐富的寄生參數信息，很多電磁兼容問題的產生是由于PCB單板布局布線不當造成。針對BUCK電路，如圖8所示，灰色圈化電路部分的PCB布線模型應重點提取。

圖8 BUCK電路中PCB布局布線關鍵點

PCB參數模型的提取方式有多種，如Q3D、Siwave等，此類軟件的優點在于可以將PCB單板布線轉換為三維模型，并仿真獲得任意一塊銅皮兩個端口之間的S參數。PCB單板三維模型如圖9所示，使用時注意根據仿真頻率選擇不同的軟件平臺以提高PCB模型提取的準確程度。

圖9 PCB單板三維模型

2.2.5 人工電源網絡建模

按照GB 4824-2013《工業、科學和醫療（ISM）射頻設備騷擾特性、限值和測量方法》測量電源端子騷擾電壓時[3]，應使用GB/T 6113.102《無線電騷擾和抗擾度測量設備和測量方法第1-2部分：無線電騷擾和抗擾度測量設備、輔助設備、傳導騷擾》中規定的人工電源網絡。

人工電源網絡在電源的測量點兩端要提供一個射頻范圍內的規定阻抗，并將受試設備與電源線上的環境噪聲隔離。

人工電源網絡有兩種基本類型，分別為用于耦合非對稱電壓的V型及用于耦合對稱電壓和不對稱電壓的△型。線路阻抗穩定網絡（LISN）和V型人工電源網絡可交替使用。

在仿真建模過程中，根據實際使用的人工電源網絡建模，人工電源網路的實際電路參照GB/T 6113.102標準附錄A中的元器件數值。

2.3 完整建模仿真電路仿真

按照以上方式建立全鏈路的傳導發射仿真電路，傳導干擾仿真結果如圖10所示。

圖10 傳導干擾仿真結果

從圖10灰色仿真曲線可以看出，在m1、m3、m4點處干擾輻值均較高。采用相關優化措施，在仿真電路中可直接修改相關差模電容、共模電容等參數，優化后仿真結果如圖10中黑色部分。

以上以較簡單的開關電源DC/DC BUCK路的傳導發射仿真為例，著重介紹了電磁兼容仿真分析方法最重要的步驟——建模。未經驗證的電路仿真模型可定性分析電磁兼容性能，查看趨勢，分析電磁兼容超標風險，找到相關整改措施；建模仿真數據還可通過和實測數據進行對比、分析，以此優化仿真模型，提高仿真模型的精確度，并可積累相應的仿真模型電路庫。

3 總結

電磁兼容仿真不僅可使工程問題再現，還可對電磁兼容性能進行風險評估、整改方案驗證，如果仿真達不到要求，可多次修改模型，與直接修改樣機、重新生產樣機相比，節省了大量的時間和成本，最后亦可將整改方案應用到實際樣機中。