醫用電子設備電快速瞬變脈沖群抗擾度測試模型

李傳喜 王春龍 吳玉娟

摘要：分析電快速瞬變脈沖干擾產生機理以及電快速瞬變脈沖群抗擾度測試系統的原理，結合醫用電子設備的特性，建立醫用電子設備電快速瞬變脈沖群抗擾度測試模型，便于電子工程師根據模型有針對性的進行電快速瞬變脈沖群抗擾度設計。

關鍵詞：電快速瞬變;脈沖群;抗擾度

0引言

隨著高速電路在醫療領域的廣泛應用，結合醫療領域使用人員與使用環境的特殊性，醫用電子設備的抗擾度問題越來越引起人們的關注，因此國家制定相應的抗擾度等級要求，通過標準的抗擾度測試系統，驗證注入干擾的情況下醫用電子設備的抗擾度等級是否滿足市場要求，脈沖群抗擾度測試是最常見也是比較難通過的幾種抗擾度測試之一。

本文將脈沖群抗擾度測試系統與醫用電子設備結合，根據醫用電子設備的特點建立脈沖群抗擾度測試模型，通過分析干擾電流在測試模型中的路徑為電子工程師提供降低脈沖群抗擾的系統設計方法與思路。

1脈沖群產生機理

一旦打開或關閉一個載流電路的接觸點，在接觸點之間可能發生電擊穿。當接觸點靠近并未完全接觸時擊穿就已經開始，在觸點閉合的過程中，擊穿一直持續直到接觸點閉合。

電網中的感性負載存儲的能量與分布電容形成諧振，產生的尖峰高電壓不斷擊穿繼電器、接觸器的觸點間隙形成放電電弧，直到動靜觸點之間的氣隙被拉大到無法擊穿。這個過程中就會產生一系列高壓脈沖群，即電快速瞬變脈沖群。

2脈沖群抗擾度測試系統

為了使醫用電子設備不受脈沖群干擾的影響，國家規定醫用電子設備都需要通過脈沖群抗擾度測試，測試時醫用電子設備需放置在金屬耦合板上，并由脈沖群干擾發生器產生干擾通過電源線或一定長度的輸入輸出線纜注入到設備中，干擾通過設備與金屬耦合板之間的等效電容回流到脈沖群干擾發生器。本文以L/N/PE線纜注入干擾的情況為例討論。通常脈沖群干擾發生器由高壓源產生的直流高壓通過充電、整形形成所需的脈沖干擾信號，脈沖干擾信號通過阻抗匹配電阻和隔直電容輸出到待測設備的L/N/PE線纜上，最終通過金屬耦合板回流到高壓源。故可以把脈沖群干擾發生器以及金屬耦合板等效為如圖1的等效模型。

3醫用電子設備脈沖群抗擾度測試模型

3.1醫用電子設備的特點

醫用電子設備通常具有患者電纜長、產品類型多樣化、敏感電路抗擾度門限低等特點。患者電纜通常是一個系統最長的部分，作為等效天線，會拾取和輻射噪聲，比如心電圖機監護儀都有較長的患者電纜。另外醫用電子設備根據應用場景的需求，產品類型多樣，比如網電源與浮地結合的設備、干電池供電設備、具有保護接地的設備、具有內部鈑金的設備。

3.2脈沖群抗擾度測試模型

結合醫用電子設備的特點與脈沖群抗擾度測試系統的原理，脈沖群抗擾度測試模型等效如圖2：

C1～C3為脈沖群發生器耦合電容、L1為設備接地線等效電感、C4、C5、C6為線路板與設備內部鈑金的等效電容、C7為浮地電路兩端的等效電容、C8、C9為線纜與金屬耦合板之間的等效電容、C10為設備內部鈑金與金屬耦合板之間的等效電容。

無額外接地線設備使用該模型時L1可認為斷路。

無內部鈑金設備使用該模型時，去掉C10、同時減小C4、C5、C6容值。

不具有患者電纜及輸入輸出線纜的設備使用模型時，去掉C8、C9。

不具有浮地應用的設備使用模型時，可認為C7短路。

C1-C3電容容值為脈沖群抗擾度設備內部電容容值已固定，浮地設備可根據變壓器、光耦的等效電容及跨接電容的容值確定C7數值，C8、C9可按照導線與金屬平面之間的電容計算公式計算等效電容，其他電容可根據兩金屬平面之間的電容計算公式計算等效電容。

4醫用電子設備脈沖群抗擾度測試模型的應用

控制干擾電流流向，避免流經不可預期的路徑，這是脈沖群抗擾度濾波設計的核心思想。根據醫用電子設備脈沖群抗擾度測試模型分析可知干擾電流主要回流路徑如圖3所示：

脈沖群抗擾度設計時，應盡量引導主要干擾能量首先按照紅色路徑回流，其次按照粉色路徑回流，避免按照藍色路徑回流，干擾信號通過粉色路徑回流時，要根據敏感設備與回流路徑的距離判斷是否有不利影響

根據測試模型可得設計思路如下：

1）當設備具有良好接地且直接與金屬耦合板連接時，盡量使干擾通過地線濾除，這時應該讓地線盡可能短一些，目的是降低等效電感L1，L1降低根據公式R=2xfL可知高頻下感抗值就會變小，接地線為干擾電流提供低阻通路，這樣干擾就在一開始從地線濾除掉，即圖3紅色線路部分，不會經過后邊的電路，降低了對敏感電路的干擾。

2）如果設備有內部金屬鈑金，則C10就會存在，它屬于金屬鈑金與金屬耦合板之間的等效電容，當等效電容較大時，由公式R=1/（2xfC）可知，容抗會變小，那么干擾就會從這條通路流向金屬耦合板，返回到干擾源頭，避免經過敏感電路。

3）當設備沒有內部金屬鈑金時，圖3中的C10就不存在了，C4、C5、C6直接與金屬耦合板相連，此時可以在AC/DC之后C7之前的電路上串入共模電感，增大線路上的阻抗，使干擾盡量在紅色路徑上衰減，使干擾盡量少的通過數字電路或模擬電路。

4）若設備有患者電纜，比如血氧線纜、心電導聯線電纜。它會拾取空間的輻射干擾電流，同時與金屬耦合板之間會有較大的等效電容存在，如圖中的C8、C9。尤其當電纜較長時.C8、C9的等效電容值就會增大，那么容抗R就會很小，成為干擾電流的低阻抗回路，那么干擾必定經過了中間的模擬或數字電路，干擾路徑為圖3中藍色部分，設備就會受到影響。

根據醫用電子設備脈沖群抗擾度測試模型分析，電子工程師進行脈沖群抗擾度設計時，需從干擾路徑分析.盡量在敏感電路之前濾除干擾。可通過電容濾波引導干擾電流的回流，串聯電感加大干擾電流的衰減.如無法避免其流過中間敏感電路.則需要設計人員增加敏感電流的自身抗擾度門限，做好敏感電路的接地設計。

5結束語

本文結合醫用電子設備的自身特點與電快速瞬變脈沖群測試環境.提出了醫用電子設備電快速瞬變脈沖群抗擾度測試模型，該模型是一個整體的測試模型，簡單直觀，可為醫用電子設備的電快速瞬變脈沖群抗擾度設計提供整體設計思路.降低設計成本與設計時間。