醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容性測試分析范文

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電磁兼容性（ElectroMagneticCompatibility，EMC）是指“設(shè)備（系統(tǒng)，分系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即該設(shè)備不會由于受到處于同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備的電磁發(fā)射導(dǎo)致或遭受不允許的降級；它也不會使同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備（系統(tǒng)、分系統(tǒng)）因受其電磁發(fā)射而導(dǎo)致或遭受不允許的降級”[1]。隨著各類電子醫(yī)療設(shè)備的大量應(yīng)用，電源在這些設(shè)備中的地位越來越重要，并由于設(shè)備的微型化，往往要求其使用的電源具有體積小、重量輕、效率高的能力。同時，由于電源的功率轉(zhuǎn)化效率一般在50%~80%之間，因此，大量的能量作為無功功率以電磁波和熱能的形式釋放，并逐漸成為最主要的電磁騷擾源；另一方面器件、線路相對集中的特點(diǎn)也造成了其較容易受到其他干擾源騷擾。這就是我們必須面對的電源的EMC問題[2]。本文首先分析了醫(yī)療器械電源產(chǎn)生電磁兼容問題的原因；其次根據(jù)醫(yī)療器械電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)所要求的11項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，分析了內(nèi)部電池供電模式（內(nèi)電模式）和網(wǎng)電源供電模式（網(wǎng)電模式）對11項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的適用情況[3-5]；最后以輻射發(fā)射為例，分析了內(nèi)電模式和網(wǎng)電模式下工作的醫(yī)療器械的電磁輻射水平及二者差異原因。

1電源的電磁干擾分析及適用的評價技術(shù)

1.1電源的電磁干擾特點(diǎn)分析電源的本質(zhì)是將能量（電能）轉(zhuǎn)換成合適的形式（電壓、功率）并輸出，以保證系統(tǒng)的正常工作。其電流變化率為di/dt、電壓變化率為dV/dt，若該變化率大，則產(chǎn)生的電磁干擾強(qiáng)度也大。因此相對于低功率數(shù)字電路，電源的干擾較為明晰，主要集中在功率開關(guān)器件以及變壓器和電感等磁性元器件。醫(yī)用電氣設(shè)備常用的開關(guān)電源的電磁干擾有其自身的特點(diǎn)[6]，主要表現(xiàn)為：①電源作為工作于開關(guān)狀態(tài)的電能處理裝置，與作為信號處理的數(shù)字電路相比，其電壓、電流變換率很高，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度較大；②根據(jù)電源頻率范圍分析，電源產(chǎn)生的干擾以傳導(dǎo)干擾和近場干擾為主；③在印刷電路板（PrintedCircuitBoard，PCB）的設(shè)計(jì)方面，與信號處理線路較規(guī)則的布線設(shè)計(jì)不同，電源的電路板布線具有更大的隨意性，這增加了PCB分布參數(shù)提取的難度；④與數(shù)字電路中線路阻抗匹配的情形不同，開關(guān)電源的干擾源阻抗與網(wǎng)側(cè)阻抗不但不匹配，而且是隨負(fù)荷變化的，這給EMI濾波器的設(shè)計(jì)帶來了一定困難。同時電磁干擾濾波器中的電感、電容原件需要承受很大的無功功率，不但降低了電源的整體效率，也增大了體積[7]。從以上描述可以看出，電源大多工作在高頻情況下，在開關(guān)器件的導(dǎo)通關(guān)斷過程中，其主電路中功率開關(guān)管的高速開關(guān)動作（從幾十千赫到數(shù)兆赫）形成了電磁騷擾源，其交變電壓和電流會通過電路中的元器件產(chǎn)生很強(qiáng)的尖峰干擾和諧振干擾。在開關(guān)電源中主要存在的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場輻射干擾，傳導(dǎo)干擾會注入電網(wǎng)，嚴(yán)重污染電網(wǎng)，影響鄰近電子設(shè)備的正常工作。產(chǎn)生輻射騷擾的原因是電磁干擾信號占有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)過電路、空間中的傳導(dǎo)和輻射，污染周圍的電磁環(huán)境[8]。

1.2不同電源部件醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁兼容適用項(xiàng)目分析醫(yī)用電氣設(shè)備適用的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)是YY0505-2012《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(yàn)》，具體包括11項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，分別從發(fā)射和抗擾兩方面衡量設(shè)備的EMC。醫(yī)用電器設(shè)備常用內(nèi)電模式或網(wǎng)電模式供電，二者供電機(jī)理不同。由于特定電源供電設(shè)備較少，本文不進(jìn)行研究。EMC通用要求中所要求的11項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，不同情況下可能某些具體實(shí)驗(yàn)是不適用的。因此，需要根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況，對11項(xiàng)實(shí)驗(yàn)具體分析，并最終判斷出所適用的實(shí)驗(yàn)，對比結(jié)果，見表1。從表1可以看出，對于網(wǎng)電模式的醫(yī)療設(shè)備來說，YY0505-2012中要求的11項(xiàng)實(shí)驗(yàn)均是適用的；但對于內(nèi)電模式的醫(yī)用電氣設(shè)備來說，和電源線相關(guān)的項(xiàng)目是不適用的。從上表也可以看出，對于發(fā)射試驗(yàn)來說，內(nèi)電模式和網(wǎng)電模式均適用的實(shí)驗(yàn)只有輻射發(fā)射，因此以輻射發(fā)射為例，具體衡量在內(nèi)電模式和網(wǎng)電模式下工作的醫(yī)療器械的電磁輻射水平，并找出差異。

2測試驗(yàn)證

2.1實(shí)驗(yàn)條件輻射發(fā)射的測量是在3米法半電波暗室中進(jìn)行，受試設(shè)備通過和人工電源網(wǎng)絡(luò)相連接入電網(wǎng)，人工電源網(wǎng)絡(luò)的測量端口接50Ω的負(fù)載，當(dāng)測量天線接收到騷擾信號后，信號通過連接器傳至接收機(jī)中。測量天線距受試設(shè)備3m，對30MHz~1GHz頻段進(jìn)行測量。天線使用情況：30~200MHz頻率范圍，使用雙錐天線測量；200MHz~1GHz頻率范圍，使用對數(shù)周期天線。水平極化方向和垂直極化方向均需測量，取接收機(jī)收到最大的射頻噪聲電平[9]。

2.2具體測試案例分析

2.2.1手術(shù)床測試的手術(shù)床可以在網(wǎng)電也可在內(nèi)電模式下工作：①設(shè)備使用網(wǎng)電源供電時，工作電源：220V/50Hz；②設(shè)備使用內(nèi)部電池供電時，工作電源：24V/DC。具體的測試結(jié)果，見圖1。從圖1可以看出，在30MHz~1GHz整個測試頻段內(nèi)，內(nèi)電模式和網(wǎng)電模式輻射發(fā)射限制符合標(biāo)準(zhǔn)，且總體來說，在整個頻段內(nèi)，內(nèi)電和網(wǎng)電模式下的輻射發(fā)射譜圖差別不大，而且發(fā)射電平類似隨諧波周期性變化，說明影響總體輻射發(fā)射水平的騷擾源并不來自設(shè)備的網(wǎng)電變換模塊，而是來自設(shè)備內(nèi)部，且發(fā)射電平的基波在40MHz附近，有可能來自手術(shù)床的電機(jī)模塊。總體來說，從此案例可以看出，對于一個設(shè)計(jì)良好的醫(yī)療設(shè)備，是可以做到對網(wǎng)電變換模塊的良好屏蔽，保證電源變換模塊不造成最終輻射發(fā)射結(jié)果的超標(biāo)。

2.2.2醫(yī)用頭燈醫(yī)用頭燈可在網(wǎng)電也可在內(nèi)電模式下工作：①網(wǎng)電模式時，充電器與網(wǎng)電源連接，對設(shè)備內(nèi)部的鋰離子電池進(jìn)行充電，工作電源220V/50Hz；②內(nèi)電模式時，由內(nèi)部鋰電池供電，工作電源為7.4V/DC，測試結(jié)果，見圖2。從圖2可以看出，和手術(shù)床不同，設(shè)備工作在網(wǎng)電和內(nèi)電模式下時，輻射發(fā)射有較大的區(qū)別，且主要差異分布在200MHz以下，由于兩者工作模式的差異僅為電源模塊的差異，因此可以確定，在低頻段38.2、43.1、76.4MHz附近的騷擾主要來自于設(shè)備的網(wǎng)電變換模塊，由于其具有較大的di/dt及dV/dt，且設(shè)備對電源的屏蔽并不是十分良好，導(dǎo)致其在低頻段出現(xiàn)若干騷擾點(diǎn)。同時，也可看出，在高頻部分（>240MHz）使用內(nèi)電與使用網(wǎng)電工作的情況基本一致，在280MHz以及300~400MHz范圍頻譜比較豐富。該案例的測試結(jié)果是我們在實(shí)際測試中常遇到的情況，由此可以得出，對于部分設(shè)備來說，由于其電源模塊設(shè)計(jì)的不合理，可能造成電源模塊輻射較高，從而影響了整個設(shè)備的電磁輻射水平。

2.2.3醫(yī)用多參數(shù)監(jiān)護(hù)設(shè)備多參數(shù)監(jiān)護(hù)設(shè)備在網(wǎng)電和內(nèi)電模式下工作的測試結(jié)果，見圖3。從圖3可以看出，醫(yī)用多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀在內(nèi)電模式下工作反而輻射更大，這和我們的一般認(rèn)識并不一致。普遍認(rèn)為，設(shè)備工作在內(nèi)電模式時，由于其屬于直流供電，因此電磁輻射相對于網(wǎng)電供電要小。分析其具體原因：由于內(nèi)電模式下輻射較高的頻點(diǎn)在210~240MHz，后經(jīng)查閱設(shè)計(jì)手冊，設(shè)備使用的報(bào)警系統(tǒng)的控制部件正工作在此頻率范圍內(nèi)。最后得出結(jié)論是由于設(shè)備在使用內(nèi)部電源時，從安全方面的考慮，默認(rèn)開啟了報(bào)警音，報(bào)警電路持續(xù)工作，從而增加了系統(tǒng)的輻射水平。后經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，在使用內(nèi)部電源時，關(guān)閉報(bào)警音設(shè)置重新測試，發(fā)現(xiàn)210~240MHz范圍內(nèi)輻射消失，至此問題得到了確定。從此案例得出結(jié)論：一般設(shè)計(jì)人員均認(rèn)為設(shè)備在使用內(nèi)部電源工作時整機(jī)的輻射發(fā)射會小于網(wǎng)電模式，但不排除有特殊情況，有些設(shè)備由于在使用內(nèi)部電源時，開啟了某些模塊，而此部分模塊恰恰是輻射發(fā)射的騷擾源，該種情況下，設(shè)備在內(nèi)電模式下工作反而會比網(wǎng)電模式更差。

3結(jié)論

隨著醫(yī)療器械技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)用電氣設(shè)備電源向小型化、高性能、高可靠性的方向發(fā)展，設(shè)備內(nèi)部的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，電磁干擾問題變得越來越嚴(yán)重。最為主要的干擾源，電源供電模式必須得到重視。但是，影響一個醫(yī)用電氣設(shè)備電磁干擾的因素還有很多，針對具體情況，需要更深入研究，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

作者：王權(quán) 李澍 蘇宗文 任海萍 單位：中國食品藥品檢定研究院