解决方案

医疗电子常见的电磁干扰问题

仪器设备设计者们经常会遇到许多有关发射与抗干扰等问题,其中电磁干扰 (ElectroMagneticInterference,EMI) 问题在很多行业中是个常见的小毛病,但在某些特殊的行业,如医疗电子中,由于患者的安全需要及生理信号电平的敏感性,电磁干扰就成为需要专门解决的重要问题。

国家标准GB9706.1《医用电气设备**部分:安全通用要求》以及国际标准IEC60601很好地推动了医疗器械的发展。其重点在于抗干扰,但同时亦注意了干扰源问题。但国内的一些生产商对电磁干扰问题的注意仍不够充分。因此本文想通过介绍专注于电磁兼容问题咨询服务的Kimmel-GerkeAssociates公司几位创办人总结的医疗电子常见的电磁干扰问题,给大家提供一些更多的相关信息,共同关注与解决医疗电子中的电磁干扰。

医疗电子常见的电磁干扰问题之一:接地阻抗高

接地阻抗之所以排在十大问题的**位,是因为这一问题的发生频率*高。绝大多数的高频问题,无论是同发射、自兼容性还是抗干扰性相关,归根结蒂还是与接地阻抗高有关。这些问题既非低频接地回路也非接地场所问题所导致,而是由于局部接地阻抗(如线路板或电缆)产生问题而引起。高阻抗的接地路径通常会导致电缆屏蔽失效并产生共模电流。

由于通常的导线和编织线大都是高阻抗性的,因此高频时要采用接地板以维持接地阻抗尽可能的低。多高才算高频还需要由实际应用情况决定。对于导线和编织线,其感抗比线路的音频阻抗大时,设计者就应当避免应用导线或者编织线接地。

根据经验,每英寸长导线的感抗约20nH。在100MHz时,1英寸导线的感抗为2nfL或12W。在射频情况下,应对任何长度的导线都持怀疑态度,接地导线的宽度至少是其长度的1/5,就是说对于一个5英寸长的接地片而言,其宽度至少应为1英寸。

医疗电子常见的电磁干扰问题之二:电缆屏蔽不足

当碰到发射或抗射频干扰问题时,通常也会涉及到电缆问题,其接地阻抗在电缆终端性能中起到很大作用。

妥善解决高频射频干扰(Radio-FrequencyImmunity,RFI)和发射传播问题的办法就是在电缆的两端设置环形电缆终端。如果连接器同屏蔽体不匹配,屏蔽就将失效。 

 “一点接地”的原则适用于音频但对射频没有多大效果。比较棘手的事情是,与患者连接的电缆不能有地的屏蔽,由于电缆不能终止于患者终端,因此屏蔽就不能两端接地,此外,在设备终端不能有效接地,甚至需要维持绝缘。当患者不被连接或需维持绝缘时,可以有效地实行电缆屏蔽,外观检查可以判定电缆屏蔽是否有效,但在现场或是测试时仍会遇到问题,因此对于患者而言,滤波效应比屏蔽更重要。

电缆屏蔽可以一点接地,但如果电缆的长度超过波长的1/20时,电缆屏蔽就需要两点接地,电缆长度是波长的1/4时的情况*糟糕。从普通的家电城里买来的电缆大都是一端接地,很少有两端全部接地的。如果有两端接地的情况,也会在包装上有所说明。另外许多可购买的电缆用的都是编织线制品,这对电磁兼容性(Electro-MagneticCompatibility,EMC)很不利。

此外,电缆屏蔽也很容易遭到破坏。许多电缆屏蔽物都是由Mylar箔制成的,不是很结实,有时即使是轻微的触碰,也会造成屏蔽物的破裂,降低屏蔽效果,而这种破裂又很难用肉眼发现,即使用数字伏特计也很难测量出来。

*后,电缆屏蔽要通过地线接地,因此如果地线碰到了连接器里的一个针或者外面的一个螺丝就会导致屏蔽效果降低甚至完全失效。

医疗电子常见的电磁干扰问题之三:开关电源发射

开关电源或交—直流转换器发射问题由来已久,开关节点(收集板或排放板)的电流使得散热器出现耦合噪音,产生传导发射问题。 

这个问题虽然很普遍,但在医疗电子中却尤其严重。但由于键路火花消除器技术难以发现此问题,所以,要尽量避免共模电流的产生,关键要做到尽可能的使差模滤波靠近故障元件,在可能的情况下*大限度地维持噪音节点的物理绝缘性,还要选好合适的位置安放散热器。

医疗电子常见的电磁干扰问题之四:LCD发射

医用电子仪器中,持续增加的液晶显示器(Liquid-CrystalDisplay,LCD)的应用也带来了LCD发射问题。LCD面板通常由电路板上发出的一根弯曲电缆所驱动,而到达LCD的电流却不是完全返回到这根电缆中,其中的一小部分会形成共模电流,用以驱动LCD,这样就又出现了**节讨论的接地阻抗问题。

这种情况下,首先需要利用尽可能短的回路将电流全部返回到驱动电路板中,通过弯曲电缆下的一个接地片降低返回路径的阻抗;*好是能够直接将电流从LCD面板回流入电路板中,如果可能,*好使面板的四角都接地。作为其结构的一部分,许多LCD在背面都有一金属外壳,如果某种特殊的显示器没有,那么设计者就要为之特别安装一个。如果医疗设备具有金属外壳,设计者应当将LCD的四角完全接地。 

医疗电子常见的电磁干扰问题之五:内置耦合通道偏移

在高频状态下,内置耦合通道在电磁干扰方面起了很大作用。这些通道可以设置于设备的任何地方,但更多的会设置于敏感性强的患者信号的输入电缆中。设置地方的不同会导致成功或失败两种结果。

出现这样的问题有几种解决方式。一个就是采用从电感器或是铁氧体至临近的金属性物质的电容耦合,这些元件通常置于输入与输出端以抑制内部和外部的射频干扰,这样做就是使朝向噪音源的电感器端带有相当大的高频电压,这种电感器可电容耦合于任何临近的金属性物质,如接地层、电路板、散热器等。采用这样的方式要十分小心,避免同一些敏感器件相耦合。

采用从电路板元件至连接器插针的电容耦合也是可选择的一种方式,但这种通道可能旁路了放置于电路板上的滤波元件。将铁氧体放在电缆外部比将之放在电路板内部好一些,这种方式可终止存在于连接器旁法拉第屏蔽的耦合通道。

医疗电子常见的电磁干扰问题之六:金属外壳静电放电

静电放电(ElectroStaticDischarge,ESD)问题是一个经常发生且让人追悔莫及的事。为了降低发射和抗射频干扰问题,设计者有时不得不在塑料外壳上镀金,为了使之有效,镀金要将缝隙全部镀上以保证结合面的传导连续性。 

这就构成了一套新的静电放电接触点,设计者为了解决一个问题却又带来了新的问题。这的确是非常棘手的事情,通常设计者只有三种选择:重新设计以降低设备对镀金的需要;重新对设备进行镀金,避免产生放电;特别仔细地使屏蔽物的缝隙闭合。

医疗设备电子通常会碰到与其它电子设备相同的一些电磁干扰问题,但有些问题相对于医疗行业而言是很特殊的。

文中提到的一些电磁干扰问题有些已经存在了几十年,有些是近期才出现而且日后会更加常见。这些问题对于设计医疗设备是非常重要的,设计者们如果能在工作中避免出现这些问题就将会避免更多的令人**的事情。

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