鐵氧體磁環(huán)在醫(yī)療設(shè)備脈沖群測(cè)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(yàn)》要求,醫(yī)療設(shè)備電磁兼容測(cè)試項(xiàng)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(chǎng)抗擾度、電壓暫降等,其中,電快速脈沖群抗擾度測(cè)試是比較重要并且通過率較低的測(cè)試項(xiàng)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(hào)導(dǎo)入大地,阻止干擾進(jìn)入設(shè)備。對(duì)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(duì)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(duì)地電容會(huì)增大設(shè)備對(duì)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?？梢圆捎镁€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(jī)箱時(shí)。線纜屏蔽法對(duì)結(jié)構(gòu)調(diào)整要求高,且不易實(shí)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(jī)器人系統(tǒng)脈沖群測(cè)試整改為例,驗(yàn)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(jià)高效,不需要考慮漏電流、接地問題,對(duì)結(jié)構(gòu)沒有特殊要求。

2 電快速脈沖群干擾分析

2.1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

電快速脈沖群測(cè)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(hào)端口、接地端口的測(cè)試。測(cè)試的要點(diǎn)是瞬變高輻值、短上升時(shí)間、高重復(fù)率、低能量。測(cè)試的目的是驗(yàn)證電子、電氣設(shè)備對(duì)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(cè)試部分主要包括供電電源端口、保護(hù)接地端口、信號(hào)端口、數(shù)據(jù)端口、控制端口。電快速脈沖群測(cè)試參數(shù)見表1。

表1 電快速脈沖群測(cè)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(cè)試電壓峰值要求對(duì)電源線為±2 kV,對(duì)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(yàn)和測(cè)量技術(shù) 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)》,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(gè)脈沖串持續(xù)15 ms,由數(shù)個(gè)無極性的單個(gè)脈沖波形組成,單個(gè)脈沖的上升沿為5 ns,持續(xù)時(shí)間為50 ns,重復(fù)頻率為5 kHz或100 Hz。根據(jù)傅立葉變換,對(duì)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(duì)電源端子選擇耦合或去耦網(wǎng)絡(luò)施加干擾,對(duì)輸入輸出信號(hào)、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(hào)可以產(chǎn)生5 kHz～100 MHz的離散頻譜,對(duì)于一根載有脈沖群干擾信號(hào)的電源線來說,如果長(zhǎng)度大于1 m,那么由于電源線長(zhǎng)度與信號(hào)波長(zhǎng)可比,不能以普通傳輸線來進(jìn)行考慮。部分干擾信號(hào)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(hào)會(huì)從線上逸出,成為輻射信號(hào)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(shí)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(duì)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(gè)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(gè)元件都可以看作頻率的函數(shù),即感抗、容抗、阻抗會(huì)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(shí),鐵氧體磁環(huán)呈現(xiàn)電感特性;當(dāng)頻率等于諧振頻率時(shí),鐵氧體磁環(huán)是一個(gè)純電阻,此時(shí)阻抗最大;當(dāng)頻率高于諧振頻率時(shí),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(gè)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(duì)脈沖群的抑制效果,對(duì)不同匝數(shù)、不同尺寸的鐵氧體磁環(huán)進(jìn)行測(cè)試對(duì)比。測(cè)試平臺(tái)如圖4所示。測(cè)試設(shè)備由脈沖群發(fā)生器、開關(guān)電源、兩個(gè)30 Ω電阻串聯(lián)組成,使用示波器探頭獲取電阻兩端的實(shí)時(shí)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(hào)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(cè)試平臺(tái)

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(cè)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(hào)輻值變化,測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

由測(cè)試結(jié)果可知,在測(cè)試環(huán)境下,纏繞6匝時(shí)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(huì)變大,鐵氧體磁環(huán)的抑制效果會(huì)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(diǎn)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(hào)頻帶較寬時(shí),可以在電纜上套兩個(gè)鐵氧體磁環(huán),每個(gè)鐵氧體磁環(huán)繞不同的匝數(shù),這樣可以同時(shí)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(duì)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(cè)試不同高度鐵氧體磁環(huán)對(duì)脈沖群干擾的抑制效果,測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

▲圖5 匝數(shù)對(duì)鐵氧體磁環(huán)抑制效果影響

由測(cè)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(cè)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(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示,包括機(jī)械臂子系統(tǒng)、導(dǎo)航子系統(tǒng)和光學(xué)定位子系統(tǒng)。機(jī)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(hào)。

根據(jù)GB/T 17626.4—2018規(guī)定,測(cè)試設(shè)備放置在接地參考平面上方10 cm位置,測(cè)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(zhǎng)度。手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)電快速脈沖群測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

▲圖6 高度對(duì)鐵氧體磁環(huán)抑制效果影響

▲圖7 手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖▲圖8 手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)電快速脈沖群測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

根據(jù)YY 0505—2012,電快速脈沖群測(cè)試中,電源線的試驗(yàn)電壓為±2 kV,重復(fù)頻率為 5 kHz。施加脈沖群干擾的順序?yàn)橄嗑€對(duì)大地,中性線對(duì)大地,接地線對(duì)大地,相線、中性線、接地線同時(shí)對(duì)大地。初測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)象是測(cè)試系統(tǒng)出現(xiàn)以太網(wǎng)傳輸信號(hào)中斷,上位機(jī)軟件彈出網(wǎng)絡(luò)斷連提示框。

為了抑制脈沖群對(duì)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(shí)穿過鐵氧體磁環(huán),在鐵氧體磁環(huán)上均勻纏繞五圈,增強(qiáng)對(duì)共模信號(hào)的吸收效果。纏繞時(shí),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(cè)試。

5 結(jié)束語

筆者介紹了醫(yī)療設(shè)備電快速脈沖群測(cè)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(duì)抑制效果的影響,并結(jié)合某手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)整改實(shí)例驗(yàn)證了鐵氧體磁環(huán)抑制脈沖群干擾的可行性和有效性。