医疗电子设备设计人员要了解的电磁兼容

医疗电子设备的设计人员面临着新的挑战。生产厂商越来越重视如何使高灵敏度设备对瞬态干扰和射频干扰具有抗扰性。另外,发射也是一个重要的问题,尤其是使用高速时钟电路的设备。高灵敏度模拟电路由于受到漏电流的限制和机箱表层的特殊处理要求,导致很多模拟电路仪器中的放大器和比较器电路在辐射场小于1V/M时停止工作。

病人界面上的漏电流限制,使信号电缆解耦和屏蔽等典型的电磁兼容设计技术不再适用于医疗设备。这个问题推动了有效的加固方法的发展。关键点经常在印刷电路板布局和内部连接的选择上。用传输线和高频阻抗控制等方法经常可以获得满意的电磁兼容解决结果,这一点滴使对于低频模拟电路也是正确的。

1． 保护评估:

了解需要保护的程度,比如箱体、电缆屏蔽、电路滤波和给定的电路要满足的要求是最重要的。下面给出一种估算的方法:

1） 首先确定射频干扰量级,单位用V/m（例如3V/m）;

2） 乘以预期的均匀场;当在全铁氧体布置的房间内试验时,乘以2;当在半无反射室中试验时,乘以4。（本例中。假定全铁氧体布置的房间,乘以2,产生6V/m场）

3） 将场强的单位转换成分贝（6V/m=136dBuV/m）

4） 对于双调谐偶极子天线间的耦合,扣除基本调谐偶极子天线的损耗因子,大约14dB;

5） 如果频率在电缆、PCB走线或设备尺寸（20log10（f3/f0）,式中f3是电缆、PCB走线、设备长度的四分之一波长频率）的谐振长度以下,则要减去理想损耗（-20lg（f3/f0））。比如,36英尺长的电缆,其四分之一波长谐振频率是83.3MHz。如果f0是26MHz,那么则应减去10dB。

6） 在100的负载电阻上得到的数值为136-14-10=112dBuV 。

7） 将112 dBuV转换成线性单位,这将产生一个400mV的感应电压。随着负载阻抗的增加,感应电压也增加。对于100K的负载,电压将差不多增加2V。

8） 对于带内频率,将典型电路的带内噪声域值与0.4-2V相比。此例中,假定26MHz在放大器的有效带宽内,那么可用电路的噪声域值,比如5mV,直接与干扰值相比,就得到了必需的保护水平。在这个例子中,所需的保护在20 lg（0.4/0.005）到20 lg（2/0.005）。

以上仅是个近似值,建议采取严格的分析方法。但通过以上的评估,对包需的保护环节的一个大致的了解。

2． 电路响应:

众所周知,放大器对26MHz的干扰的响应似乎不合情理,但是,IC芯片内部的保护二极管能够对带外射频感应信号进行直流整流,引起放大器发生直流偏置,并使其进入饱合状态。另一个可能是二极管的非线性阻止了射频干扰,但允许对载波进行调制,使其与所期望的信号一致。

加固模拟电路的方法如下:

1） 把所有电路视为射频电路。不管工作频率如何,均视为高频电路,并正确对其进行加固以防止高频干扰。-将电缆屏蔽层单端接地的做法虽然能够防止电路受到低频地环路的影响,但会使电缆受到四分之一波长频率以上的频率的远场感应电压的影响。必须使射频防护措施地整个试验频段内（150KHz~1GHz）都有效。

2） 仅在一端接地屏蔽。在高频时,干扰差不多都是以共模形式出现或在元件引脚至地（机壳）之间,而元件引脚与引脚之间则没有。因此,元件引脚至地的回路需要加以处理。在高频时,外部电场地屏蔽电缆上感应出电流。电流的电主的最大值出现地四分之一波长为电缆长度的频率点上。在电缆谐振频率以上,电缆的屏蔽层开始失效。

3） 屏蔽体两端接地。如虹电缆屏蔽层在两端接地,其主要受干扰频率将发生在半波长等于电缆长

度的频率上。本例中为150MHz。如果屏蔽层的接地端不是同轴方式,而是依靠小端接,则在谐振频率的奇数倍的频率上,屏蔽将失去作用。单根小辫的屏蔽层端接地意味着,最大的半波电流将仅通过小辫流动,而在小辫的周围产生极强的磁场。

4） 地端接同轴电缆屏蔽层。只有使屏蔽层上的电流通过多点接地,这些电流产生的磁场才会相互削弱,从而保护连接器中的信号针。所的连接器应是金属的,并应通过直接的金属与金属接触连接到机箱上（连接器和机箱都应是导电光洁表面）。应使用屏蔽护套。例如常用的D型连接器。最好使用镀锡的“压纹”D型连接器。

5） 将屏蔽与非屏蔽引线安排到不同的连接器中。所的资金积累用滤波的方式来加固的信号插针应布置在一个连接器中。连接器中的所有插针都应滤波。各滤波电容的容量差别不超过10倍。屏蔽的百屏蔽引线不要穿过同一连接器。所的屏蔽引线应绑扎在一起。这样它们可采用标准地端接法来处理。对于多层屏蔽电费可通过一金属导电带短接在一起,或者使用专门的连接器护套,将每一层屏蔽都连接到连接器的外壳上。

3． 滤波电容值。

如果在信号引线上采用线到机壳的滤波,那么其电容量会受到允许的泄漏电流的限制。滤波器中的共模电感的电感量如果较大,则电容的容量可以小些,同时仍然能够满足大多数电路所需要的低通滤波插损值。

1） 对低频模拟电路采用纺织网屏蔽电缆。通常模拟电路设计人员们有一个共识:屏蔽电费的屏蔽层只能在一端接地。这样做的目的上防止屏蔽层中的地环路电流会在负载电阻上感应出噪声电压。绞线可以有效减小“地环路”磁场耦合。因此,为了提高灵敏模拟电路的抗扰性,应采用每英尺18绞距的双绞线屏蔽电缆,并且屏蔽层两端接地。

2） 内部I/O信号尽量在PCB 上传输,而不是通过引线。连接器上出来的引线应通过线路板上的直线传输。好,这些直线直接连到I/O连接器的针上。这样,信号直线可以获得最大的共模阻抗,从而减小高频于扰耦合。

4． PCB设计

正如数字电路的线路板一样,PCB设计时应设置完整的地面和电源面,所的地线面应该连在一起。这些地线面应通过电容接到机壳,其电容值根据机箱允许的泄漏值来确定。接地关键是地回路必须具有最小的电感。要是使用直流接地,电源地应相对于机壳浮起来,而仅在母板可底板上通过一点与机壳连接在一起。

5． 瞬态干扰

通常,静电放电和电快速瞬变脉冲群对数字电路的危害大于对模拟电路的影响。静电放电在5~200MHz的频率范围内产生强烈射频辐射.此辐射能量的峰值经常出现在35MHz~45MHz之间发生自激振荡.许多I/O电缆的谐振频率也通常在这个频率范围内,结果,电缆中便串入了大量的静电放电电辐射能量.

当电缆暴露在4~8KV静电放电环境中时,I/O电缆终端负载上可以测量到的感应电压可达到

600V。这个电压远远超出了典型数字的门限电压值0。4V。典型的感应脉冲持续时间大约为400ns。将I/O电缆屏蔽起来,且将两端接地,使内部信号引线全部处于屏蔽层内,可以减小干扰60~70Db。负载上的电感电压只有0。3V或更低。

电快速瞬变脉冲群也产生相当强的辐射发射,从而耦合到电 的机壳线路。电源线滤波器可以对电源进行保护。线——地之间的共模电容是抑制这种瞬态干扰的有效器件,它使干扰旁路到机壳,而远离内部电路。当这个是容的容量受到泄漏电流的限制而不能太大时,共模扼流圈必须提供更大的保护作用。这通常要求使用专门的带中心抽头的共模扼流线圈,中心抽头通过学习一只电容连接到机壳。共模扼流圈通常在高导磁率铁氧体芯上,其典型电感值为15~20Mh。

6． 结论

实现电磁兼容的最好办法将所的数字及模拟电路均视为高频响应信号响应电路,用高频设计方法来处理PCB布线和共模滤波。采用整块地平面

和电源面也很重要,对模拟电路也该如此,这样做有利于限制高频共模环路。大多数瞬态干扰均属于高频,并产生很强的辐射能量。通常,该辐射能量通过I/O电缆耦合进入设备。一般情况下是通过模拟线路串入设备,然后再次耦合到高速数电路,使其产生误动作。通过对所有模拟和数字电路的引线进行滤波,便可对这些电路进行保护。

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