鐵氧體磁環(huán)在醫(yī)療設(shè)備脈沖群測試中的應(yīng)用*

□ 李 丹 □ 王浩林

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,醫(yī)療設(shè)備電磁兼容問題越來越突出。根據(jù)YY 0505—2012《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-2部分:安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn):電磁兼容 要求和試驗》要求,醫(yī)療設(shè)備電磁兼容測試項目包括輻射騷擾、傳導(dǎo)騷擾、輻射傳導(dǎo)騷擾抗擾度、靜電放電抗擾度、電快速脈沖群抗擾度、浪涌抗擾度、射頻傳導(dǎo)騷擾抗擾度、工頻磁場抗擾度、電壓暫降等,其中,電快速脈沖群抗擾度測試是比較重要并且通過率較低的測試項目之一。

目前,解決脈沖群干擾的常用方法是增加濾波器和屏蔽。在電源入口處安裝濾波電容,將干擾信號導(dǎo)入大地,阻止干擾進(jìn)入設(shè)備。對于醫(yī)用設(shè)備而言,根據(jù)GB 9706.1—2007《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1部分:安全通用要求》規(guī)定,設(shè)備漏電流有較高要求。一般設(shè)備對地漏電流在正常狀態(tài)下容許值低于0.5 mA,濾波器中的對地電容會增大設(shè)備對地漏電流,使醫(yī)療設(shè)備很難滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。另一方面,濾波器的電氣參數(shù)多樣復(fù)雜,加大選型難度。可以采用線纜屏蔽法,將電纜屏蔽起來,屏蔽層兩端接地。這一方法適用于電纜屏蔽層能夠與系統(tǒng)參考地可靠連接,當(dāng)設(shè)備外殼為金屬且不接地,或設(shè)備有非金屬機箱時。線纜屏蔽法對結(jié)構(gòu)調(diào)整要求高,且不易實施。

筆者提出一種應(yīng)用鐵氧體磁環(huán)抑制電快速脈沖群干擾的方法,以某手術(shù)機器人系統(tǒng)脈沖群測試整改為例,驗證鐵氧體磁環(huán)抑制脈沖群干擾的有效性。這一方法操作方便,廉價高效,不需要考慮漏電流、接地問題,對結(jié)構(gòu)沒有特殊要求。

2 電快速脈沖群干擾分析

2.1 測試標(biāo)準(zhǔn)

電快速脈沖群測試是一種將由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群耦合到電氣和電子設(shè)備電源端口、控制端口、信號端口、接地端口的測試。測試的要點是瞬變高輻值、短上升時間、高重復(fù)率、低能量。測試的目的是驗證電子、電氣設(shè)備對來自切換瞬態(tài)過程的各種類型瞬變騷擾的抗擾度。受試設(shè)備的測試部分主要包括供電電源端口、保護(hù)接地端口、信號端口、數(shù)據(jù)端口、控制端口。電快速脈沖群測試參數(shù)見表1。

表1 電快速脈沖群測試參數(shù)

根據(jù)YY 0505—2012,醫(yī)療設(shè)備電磁抗擾度要求見表2。醫(yī)療設(shè)備電快速脈沖群測試電壓峰值要求對電源線為±2 kV,對輸入和輸出線為±1 kV。

表2 醫(yī)療設(shè)備電磁抗擾度要求

2.2 電快速脈沖群干擾波形

依據(jù)GB/T 17626.4—2018《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》,脈沖群發(fā)生器輸出脈沖波形如圖1所示。電快速脈沖群由間隔為300 ms的連續(xù)脈沖串構(gòu)成,每一個脈沖串持續(xù)15 ms,由數(shù)個無極性的單個脈沖波形組成,單個脈沖的上升沿為5 ns,持續(xù)時間為50 ns,重復(fù)頻率為5 kHz或100 Hz。根據(jù)傅立葉變換,對應(yīng)頻譜為5 kHz～100 MHz離散譜線,每根譜線的距離是脈沖的重復(fù)頻率。對電源端子選擇耦合或去耦網(wǎng)絡(luò)施加干擾,對輸入輸出信號、數(shù)據(jù)、控制端口選擇專用容性耦合施加干擾。

▲圖1 脈沖群發(fā)生器輸出脈沖波形

2.3 脈沖群干擾途徑

脈沖群干擾信號可以產(chǎn)生5 kHz～100 MHz的離散頻譜,對于一根載有脈沖群干擾信號的電源線來說,如果長度大于1 m,那么由于電源線長度與信號波長可比,不能以普通傳輸線來進(jìn)行考慮。部分干擾信號可以通過傳輸線進(jìn)入受試設(shè)備,即產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射。部分信號會從線上逸出,成為輻射信號進(jìn)入受試設(shè)備,即產(chǎn)生輻射發(fā)射。由此可見,脈沖群干擾實際上是傳導(dǎo)和輻射相結(jié)合。

3 鐵氧體磁環(huán)抑制分析

3.1 抑制原理

鐵氧體磁環(huán)是電子電路中常用的抗干擾元件,對高頻噪聲有很好的抑制作用。鐵氧體磁環(huán)等效電路如圖2所示。在等效電路中,一個直流電阻串聯(lián)電感、電容、電阻的并聯(lián)。直流電阻具有恒定值,而并聯(lián)的三個元件都可以看作頻率的函數(shù),即感抗、容抗、阻抗會隨頻率的變化而變化。

▲圖2 鐵氧體磁環(huán)等效電路

鐵氧體磁環(huán)在不同的頻率下有不同的阻抗特性,阻抗與頻率關(guān)系如圖3所示。從等效電路中可以看到,當(dāng)頻率低于諧振頻率時,鐵氧體磁環(huán)呈現(xiàn)電感特性;當(dāng)頻率等于諧振頻率時,鐵氧體磁環(huán)是一個純電阻,此時阻抗最大;當(dāng)頻率高于諧振頻率時,鐵氧體磁環(huán)呈現(xiàn)電容特性。將鐵氧體磁環(huán)套在導(dǎo)線上,相當(dāng)于在導(dǎo)線所屬電路中串入一個非線性阻抗。從電磁兼容的角度來看,鐵氧體磁環(huán)改變了電路局部的高頻參數(shù),使回路阻抗增大,高頻能量損耗相應(yīng)提高,電磁能轉(zhuǎn)換為熱量消耗,從而起到抑制干擾電流的作用。

▲圖3 鐵氧體磁環(huán)阻抗與頻率關(guān)系

3.2 抑制效果分析

為了分析不同鐵氧體磁環(huán)對脈沖群的抑制效果,對不同匝數(shù)、不同尺寸的鐵氧體磁環(huán)進(jìn)行測試對比。測試平臺如圖4所示。測試設(shè)備由脈沖群發(fā)生器、開關(guān)電源、兩個30 Ω電阻串聯(lián)組成,使用示波器探頭獲取電阻兩端的實時干擾波形。

電阻兩端正常額定電壓是直流24 V,在開關(guān)電源一次側(cè)電源線施加±4 kV電壓、5 kHz的頻率脈沖群干擾,電阻兩端因受到脈沖群信號干擾而產(chǎn)生電壓變化。鐵氧體磁環(huán)設(shè)置在開關(guān)電源一次進(jìn)線電源線上。

▲圖4 測試平臺

選用內(nèi)徑為40 mm,外徑為64 mm,高為20 mm的鐵氧體磁環(huán),通過改變纏繞匝數(shù)測試鐵氧體磁環(huán)的抑制效果。通過示波器觀察負(fù)載上干擾信號輻值變化,測試結(jié)果如圖5所示。

由測試結(jié)果可知,在測試環(huán)境下,纏繞6匝時鐵氧體磁環(huán)抑制效果最佳。由于線纜之間分布電容的影響,纏繞的匝數(shù)并不是越多越好,隨著匝數(shù)的增多,分布電容會變大,鐵氧體磁環(huán)的抑制效果會降低。另一方面,鐵氧體磁環(huán)的匝數(shù)要根據(jù)干擾電流頻率特點來調(diào)整。匝數(shù)越多,抑制低頻干擾效果越好,抑制高頻噪聲作用較弱。當(dāng)干擾信號頻帶較寬時,可以在電纜上套兩個鐵氧體磁環(huán),每個鐵氧體磁環(huán)繞不同的匝數(shù),這樣可以同時抑制高頻干擾和低頻干擾。

除匝數(shù)外,鐵氧體磁環(huán)的外形尺寸對抑制效果有較大影響。選擇內(nèi)徑為30 mm,外徑為50 mm,高分別為12 mm和18 mm的鐵氧體磁環(huán),測試不同高度鐵氧體磁環(huán)對脈沖群干擾的抑制效果,測試結(jié)果如圖6所示。

▲圖5 匝數(shù)對鐵氧體磁環(huán)抑制效果影響

由測試結(jié)果可知,在纏繞相同匝數(shù)的條件下,鐵氧體磁環(huán)的高度越大,抑制效果越好。所以在電快速脈沖群測試中,在空間允許的情況下,應(yīng)盡量選擇體積大的鐵氧體磁環(huán)。

4 應(yīng)用案例

自主研發(fā)的手術(shù)機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示,包括機械臂子系統(tǒng)、導(dǎo)航子系統(tǒng)和光學(xué)定位子系統(tǒng)。機械臂子系統(tǒng)連接220 V電源,通過互連線向光學(xué)定位子系統(tǒng)和導(dǎo)航子系統(tǒng)提供電源,并傳輸以太網(wǎng)和視頻信號。

根據(jù)GB/T 17626.4—2018規(guī)定,測試設(shè)備放置在接地參考平面上方10 cm位置,測試設(shè)備與耦合或去耦網(wǎng)絡(luò)之間的電纜應(yīng)保持1 m±0.1 m長度。手術(shù)機器人系統(tǒng)電快速脈沖群測試現(xiàn)場如圖8所示。

▲圖6 高度對鐵氧體磁環(huán)抑制效果影響

▲圖7 手術(shù)機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖▲圖8 手術(shù)機器人系統(tǒng)電快速脈沖群測試現(xiàn)場

根據(jù)YY 0505—2012,電快速脈沖群測試中,電源線的試驗電壓為±2 kV,重復(fù)頻率為 5 kHz。施加脈沖群干擾的順序為相線對大地,中性線對大地,接地線對大地,相線、中性線、接地線同時對大地。初測試驗現(xiàn)象是測試系統(tǒng)出現(xiàn)以太網(wǎng)傳輸信號中斷,上位機軟件彈出網(wǎng)絡(luò)斷連提示框。

為了抑制脈沖群對系統(tǒng)的干擾,選用內(nèi)徑為40 mm,外徑為64 mm,高為20 mm的鐵氧體磁環(huán),將系統(tǒng)的進(jìn)線電源線同時穿過鐵氧體磁環(huán),在鐵氧體磁環(huán)上均勻纏繞五圈,增強對共模信號的吸收效果。纏繞時,需注意線纜緊貼鐵氧體磁環(huán)內(nèi)徑,盡量減小兩者之間的空間間隙。通過增加鐵氧體磁環(huán),系統(tǒng)未出線以太網(wǎng)中斷現(xiàn)象,并且順利通過電快速脈沖群測試。

5 結(jié)束語

筆者介紹了醫(yī)療設(shè)備電快速脈沖群測試方法和鐵氧體磁環(huán)的抑制原理,詳細(xì)分析了鐵氧體磁環(huán)匝數(shù)和尺寸對抑制效果的影響,并結(jié)合某手術(shù)機器人系統(tǒng)整改實例驗證了鐵氧體磁環(huán)抑制脈沖群干擾的可行性和有效性。