基于智能穿戴設(shè)備的電磁兼容技術(shù)設(shè)計(jì)研究

王俊起

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州醫(yī)藥分院，江蘇徐州，221116）

0 引言

隨著5G技術(shù)的快速發(fā)展和后疫情時(shí)代的到來(lái)，以深度學(xué)習(xí)為核心的人工智能技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)與生命健康深度融合，智能穿戴設(shè)備在人體健康體征監(jiān)測(cè)、疾病的預(yù)防、輔助診斷治療以及術(shù)后康復(fù)護(hù)理等方面將發(fā)揮愈來(lái)愈重要、愈來(lái)愈多的作用。

智能穿戴設(shè)備分為智能穿戴健康設(shè)備和智能穿戴醫(yī)療設(shè)備。智能穿戴健康設(shè)備一般都納入消費(fèi)類電子設(shè)備的監(jiān)管，智能穿戴醫(yī)療設(shè)備的監(jiān)管突出強(qiáng)調(diào)其有效性和安全性，歐盟地區(qū)是納入消費(fèi)類電子設(shè)備監(jiān)管。美國(guó)則將超低風(fēng)險(xiǎn)、與治療疾病無(wú)關(guān)只用于慢性病輔助管理的智能穿戴醫(yī)療設(shè)備劃分為常規(guī)智能穿戴醫(yī)療設(shè)備，其它智能穿戴醫(yī)療設(shè)備則嚴(yán)格監(jiān)管。我國(guó)監(jiān)管最為嚴(yán)格，將智能穿戴醫(yī)療設(shè)備及其配套的軟件全部納入醫(yī)療器械管理體系中，遵從《移動(dòng)醫(yī)療器械注冊(cè)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》及產(chǎn)品分類界定通知。

智能穿戴設(shè)備主要由傳感、通信、數(shù)據(jù)處理組件構(gòu)成，智能化、微型化和交互性是其最顯著的特點(diǎn)，大量使用微處理器、高度集成芯片、數(shù)字元器件，極大提高了設(shè)備的智能化和效能，但也增加了對(duì)外界電磁騷擾的敏感性，同時(shí)也是一個(gè)更大的騷擾源，尤其是穿戴多個(gè)設(shè)備時(shí)，電磁兼容問(wèn)題尤為突出，監(jiān)管要求必須重視其電磁兼容性能的設(shè)計(jì)。

1 電磁兼容

■1.1 電磁兼容

電磁兼容是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。它要求設(shè)備要有一定的抗電磁騷擾能力，又不能電磁騷擾環(huán)境中的任何事物。

電磁現(xiàn)象即干擾源無(wú)處不在，要形成干擾，須具備兩個(gè)條件：一個(gè)是電磁現(xiàn)象能傳遞到目標(biāo)設(shè)備的途徑，二個(gè)是目標(biāo)設(shè)備是敏感設(shè)備。干擾源、傳遞途徑、敏感設(shè)備就是電磁干擾的三要素，如圖1所示。

■1.2 電磁兼容設(shè)計(jì)原則與方法

1.2.1 電磁兼容設(shè)計(jì)的特殊性

電磁兼容是自身抗干擾能力和抑制自身產(chǎn)生干擾的綜合。需要經(jīng)過(guò)理論分析、設(shè)計(jì)、工程實(shí)現(xiàn)、測(cè)試、糾錯(cuò)完善再提高、再測(cè)試等一系列過(guò)程。電磁兼容設(shè)計(jì)除了要考慮干擾源，還要考慮寄生參數(shù)以及干擾傳導(dǎo)或耦合路徑等問(wèn)題，這些問(wèn)題難以用準(zhǔn)確的電路模型描述，更難以用精確的數(shù)學(xué)模型去定量分析、計(jì)算和仿真。因此必須進(jìn)行認(rèn)真的電磁兼容理論分析、 設(shè)計(jì)、測(cè)試，并反復(fù)進(jìn)行，直至滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.2 電磁兼容設(shè)計(jì)的原則

（1）在設(shè)備的研發(fā)中，應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備與周圍環(huán)境之間的相互干擾，在開發(fā)與設(shè)計(jì)過(guò)程中采取正確的防護(hù)措施減小電子系統(tǒng)本身的電磁發(fā)射。

（2）在設(shè)備或系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的初始階段，同時(shí)進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，把電磁兼容的大部分問(wèn)題解決在設(shè)計(jì)定型之前，可得到最高的效費(fèi)比。

（3）電磁兼容設(shè)計(jì)基于三要素，控制干擾源的發(fā)射能量、阻斷耦合途徑和提高設(shè)備抗干擾性。由于干擾源總是存在，信號(hào)正常傳遞中的噪聲耦合路徑有很多，難以全部切斷，設(shè)備敏感性又客觀存在，所以有效的辦法是正確設(shè)計(jì)以抑制干擾的傳遞。

1.2.3 電磁兼容設(shè)計(jì)方法

（1）電磁干擾分析，就是分析干擾源及其耦合路徑和敏感設(shè)備的抗干擾能力。

干擾源的分析包括干擾源特性分析、建立噪聲模型(時(shí)域或頻域描述)、頻譜和功率分析等。

干擾耦合路徑分析就是弄清干擾源是通過(guò)何種路徑到達(dá)敏感設(shè)備的。

敏感設(shè)備的抗干擾能力即抗擾性必須利用專業(yè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以得出設(shè)備能承受的干擾極限值和噪聲敏感度。

（2）根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)把電磁兼容整體指標(biāo)逐級(jí)分解細(xì)化成系統(tǒng)級(jí)、設(shè)備級(jí)、電路級(jí)和元件級(jí)的指標(biāo)，然后按照設(shè)備要實(shí)現(xiàn)的功能，對(duì)控制發(fā)射、控制靈敏度、控制耦合以及接線、布線與電纜網(wǎng)的設(shè)計(jì)、濾波、屏蔽、接地與搭接等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 智能穿戴設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)

智能穿戴設(shè)備的電磁干擾問(wèn)題，主要有接地阻抗過(guò)高、電纜線屏蔽不足、濾波器選用不當(dāng)以及開關(guān)電源的發(fā)射、線路耦合、寄生參數(shù)、靜電放電等。靜電放電問(wèn)題作者已著文研究過(guò)。這些問(wèn)題大都可以通過(guò)正確接地、良好屏蔽、恰當(dāng)濾波再配合電纜及連接器的設(shè)計(jì)、元器件及導(dǎo)線的排布設(shè)計(jì)、電路板及板層設(shè)計(jì)等得到解決，本文先研究屏蔽及濾波等技術(shù)設(shè)計(jì)。

■2.1 屏蔽技術(shù)

屏蔽是抑制以場(chǎng)的形式造成的干擾的有效方式之一，是用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥善帘误w將需要保護(hù)的元件、單元甚或設(shè)備封閉起來(lái)，使其不被外界干擾，也不能干擾外界。分靜電屏蔽、交變電場(chǎng)屏蔽和交變電磁場(chǎng)屏蔽。靜電屏蔽易于理解，不再贅述。

2.1.1 交變電場(chǎng)屏蔽技術(shù)

交變電場(chǎng)的干擾是通過(guò)干擾源與接收器之間的耦合電容傳遞的，如圖2所示。圖中Cc是二者之間的等效耦合電容，實(shí)際上就是分布電容，二者距離越大其值就越小，耦合能力也越小。接收器上受到的干擾電壓如公式1所示。由于智能穿戴設(shè)備的空間所限，Cc很大，所以干擾就很大。

當(dāng)在二者之間插入屏蔽體時(shí)，如圖3所示，原來(lái)的耦合電容就變成了Cc1、Cc2、Cc3的綜合效應(yīng)。Cc3值很小，影響很小，故忽略。則干擾源電壓先經(jīng)Cc1耦合到屏蔽體上，在經(jīng)Cc2耦合到接收器上。屏蔽體和接收器上受到的干擾電壓V1和VR如公式2和公式3所示。

圖3 插入屏蔽體時(shí)交變電場(chǎng)的耦合

公式中的Z1是屏蔽體的阻抗和屏蔽體接地線的阻抗之和，只要選擇優(yōu)良導(dǎo)電性能的屏蔽體材料且良好接地，Z1的值就很小，則V1就很小，再經(jīng)屏蔽體耦合到接收器上的干擾就幾乎沒(méi)有，相當(dāng)于割斷了屏蔽體內(nèi)外間的干擾傳遞路徑。

2.1.2 交變電磁場(chǎng)屏蔽技術(shù)

交變電磁場(chǎng)屏蔽分低頻段和高頻段兩個(gè)方面。

2.1.2.1 交變低頻電磁場(chǎng)屏蔽

100kHz以下的為低頻電磁場(chǎng)。低頻電磁場(chǎng)的屏蔽常用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料。它是利用鐵磁材料的高磁導(dǎo)率對(duì)干擾磁場(chǎng)進(jìn)行分路，由于鐵磁材料的磁阻與空氣的磁阻相比很小，磁通主要通過(guò)鐵磁材料制成的屏蔽罩，空氣的磁通很少，從而起到磁場(chǎng)屏蔽的作用。

使用屏蔽罩應(yīng)注意的問(wèn)題:

（1）所用鐵磁材料的磁導(dǎo)率越高，屏蔽罩越厚，磁阻越小，磁屏蔽效果越好。因此，盡量選用高磁導(dǎo)率材料，且有足夠的厚度，甚至可采用多層。

（2）在與磁力線重直的方向不應(yīng)有開口或縫隙，否則將切斷磁力線，增大磁阻，降低屏蔽效果。

（3）鐵磁材料的屏蔽體不能用于高頻磁場(chǎng)屏蔽。因?yàn)楦哳l時(shí)鐵磁材料中的磁性損耗(磁滯、渦流等)很大，磁導(dǎo)率低。

2.1.2.2 交變高頻電磁場(chǎng)屏蔽

高頻電磁場(chǎng)的屏蔽體采用的是低電阻率的良導(dǎo)體材料，如銅、鋁等，利用電磁感應(yīng)在屏蔽體表面所產(chǎn)生渦流的反磁場(chǎng)，來(lái)抵消或抑制屏蔽體外騷擾磁場(chǎng)的影響。

渦流是在高頻下感應(yīng)產(chǎn)生的，頻率越高，產(chǎn)生的渦流越大。但高于一定頻率以后，渦流就不再隨頻率的增高而加大，屏蔽盒上產(chǎn)生的感應(yīng)渦流與頻率無(wú)關(guān)，它產(chǎn)生的反磁場(chǎng)已足以排斥原騷擾磁場(chǎng)而起到屏蔽作用。

高頻時(shí)由于集膚效應(yīng)，渦流僅僅集中在屏蔽盒的表面，所以，高頻屏蔽一般不特別考慮屏蔽盒的厚度。但應(yīng)特別注意屏蔽盒在垂直于渦流的方向上不應(yīng)該有開口或縫隙，否則將切斷渦流，使渦流電阻增大，渦流減小，屏蔽效果變差。如果需要屏蔽盒開口或有縫隙，應(yīng)沿渦流走向，且開口或縫隙尺寸一般不應(yīng)超過(guò)波長(zhǎng)的1/100～1/50。

在實(shí)際使用中，高頻電磁場(chǎng)的屏蔽體都接地，這樣屏蔽體就同時(shí)具有電場(chǎng)屏蔽和高頻電磁場(chǎng)屏蔽的作用。

2.1.2.3 屏蔽體的孔縫泄漏處理

實(shí)用屏蔽體常常因?yàn)殡娫淳€、控制線、信號(hào)線的輸人輸出以及散熱通風(fēng)等會(huì)有開孔或縫隙，還有基于維修便利和工作指示原因，蓋板、測(cè)量指示儀表、調(diào)節(jié)的電位器軸、指示燈、保險(xiǎn)絲、開關(guān)、門等也需要留下窗口或孔縫，這些都會(huì)造成屏蔽效能下降。

因此，針對(duì)不同部位不同需要，可以采用鈹銅梳簧片、導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電塑料和導(dǎo)電涂料以及導(dǎo)電箔帶等材料進(jìn)行相應(yīng)的處理，保證屏蔽效能不會(huì)下降或下降不多。

■2.2 電磁干擾濾波技術(shù)

電磁干擾濾波是重要且有效的方法，正確地設(shè)計(jì)、選擇濾波器能有選擇地衰減輸人信號(hào)中的干擾成分，而讓有用信號(hào)基本無(wú)障礙地通過(guò)。

濾波器是由電阻、電感、電容或有源器件組成的選擇性網(wǎng)絡(luò)，有兩種工作方式：一種是將無(wú)用信號(hào)能量在濾波器中吸收并消耗掉，這類濾波器中含有損耗性器件，如電阻或鐵氧體等，稱作吸收式或損耗式濾波器；另一種是阻止無(wú)用信號(hào)通過(guò)，讓無(wú)用信號(hào)能量反射至信號(hào)源并消耗掉，這類濾波器由非損耗性器件組成，如純電抗性器件，稱作反射式濾波器。無(wú)論哪一類濾波器，都應(yīng)使其損耗在阻帶內(nèi)盡量大。

2.2.1 濾波器的插入損耗

插入損耗是濾波器最為重要的技術(shù)性能參數(shù)之一，用符號(hào)IL表示。插入損耗定義為：信號(hào)源和接收機(jī)(負(fù)載)之間接入濾波器前后，由源傳送給負(fù)載的功率之比，或近似表示成同一信號(hào)源下接入濾波器前后，負(fù)載阻抗上電壓之比，如公式4所示。

顯然，高的插入損耗意味著對(duì)騷擾信號(hào)有好的抑制能力，因此，濾波器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)高的插入損耗。

2.2.2 濾波器阻抗匹配與失配

在一個(gè)由源和負(fù)載組成的電路中，若負(fù)載阻抗與源阻抗相等，則負(fù)載上可以獲得源所能提供的最大功率，這種情況稱為理想阻抗匹配。一般地說(shuō)，阻抗匹配就是要使源提供的功率全部傳遞給負(fù)載，這是傳輸有用信號(hào)時(shí)的理想狀況。而對(duì)于干擾信號(hào)，則希望阻抗盡可能失配，使得干擾不傳輸給敏感設(shè)備負(fù)載。設(shè)計(jì)好濾波器的輸入輸出阻抗，就能達(dá)到此目的。

假定濾波器為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，插入在源與負(fù)載中間，如圖4所示。圖中若源阻抗ZS與負(fù)載阻抗ZL不相等，且這個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)的端口輸人阻抗ZI和輸出阻抗Z。分別等于源內(nèi)阻ZS和負(fù)載阻抗ZL，此時(shí)這個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)僅起匹配阻抗作用，源所能提供的功率全部被負(fù)載吸收。于是接入此理想二端口匹配網(wǎng)絡(luò)后，負(fù)載ZL上的電流為

圖4 二端口網(wǎng)絡(luò)接入源和負(fù)載之問(wèn)的關(guān)系64頁(yè)

而該電路未接此理想匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，負(fù)載ZL上的電流為

則插入此匹配二端口網(wǎng)絡(luò)前后流過(guò)負(fù)載的電流之比為

此比值明顯<1，說(shuō)明接入理想匹配網(wǎng)絡(luò)使負(fù)載上電流最大并獲得最大傳輸功率，原始電路因阻抗不匹配不能獲得最大電流和最大功率。這種由于源與負(fù)裁阻抗不匹配而產(chǎn)生的負(fù)載電流變化，稱作電流反射。這種反射同樣也會(huì)引起功率損耗，稱為為反射損耗，大小為：

由公式8可知，當(dāng)阻抗完全匹配時(shí)，ρ=0， A=0，源所能提供的功率全部被負(fù)載吸收，不存在反射損耗。當(dāng)電路出現(xiàn)全反射時(shí)，ρ=1，因而有A→∞，負(fù)載上電流為零，即源和負(fù)載阻抗形成最大失配，源能提供的功率全部被反射回來(lái)，負(fù)載上沒(méi)有功率損耗。

因此，電磁干擾濾波器應(yīng)該盡量在阻抗不匹配的條件下工作，濾波器的損耗就等于濾波器的固有插入損耗加上反射損耗，大大增強(qiáng)了干擾抑制能力。

2.2.3 阻抗失配對(duì)插入損耗的影響

以典型的LC型濾波器為例，忽略干擾源阻抗的影響，此時(shí)濾波器的插入損耗與電路的電壓衰減相等。因此濾波器的插入損耗為：

三種不同性質(zhì)的負(fù)載，影響各不相同：

（1）負(fù)載ZL為純阻性：阻抗值為ZL=RL，此時(shí)濾波器的插入損耗為：

由公式10可見(jiàn)，濾波器在ω>>ωo時(shí)具有較大的插入損耗，可以很好地工作；但在ωo附近，1-ω2/ωo2→ 0，ωL/RL項(xiàng)起決定作用，若則會(huì)有插入損耗IL<0，此時(shí)該濾波器不但不能抑制電磁干擾信號(hào)，反而會(huì)放大電磁干擾信號(hào)。

（2）負(fù)載為感性負(fù)載：ZL可用一個(gè)電感LL和一個(gè)電阻RL并聯(lián)表示，則該電路的諧振頻率由于負(fù)載電感與濾波器電容并聯(lián)、電容容抗值被降低而增大，從ωo變?yōu)榇藭r(shí)濾波器的插入損耗變?yōu)椋?/p>

濾波器在ω>>ωL >ωo時(shí)才具有較大的插入損耗，而在原來(lái)阻性負(fù)載情況下ω>ωo，又不滿足ω>>ωL時(shí)，插入損耗并不能大于零，濾波有效范圍較阻性負(fù)載減小。若在頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)電感和電容諧振，還將使原來(lái)沒(méi)有電感負(fù)載時(shí)的阻帶內(nèi)出現(xiàn)負(fù)的插入損耗，即對(duì)電磁干擾信號(hào)具有放大作用。

（3）負(fù)載為容性負(fù)載：可以用一個(gè)電容CL和一個(gè)電阻RL并聯(lián)表示ZL，電路的諧振頻率變?yōu)椋鸡?，插入損耗變?yōu)椋?/p>

此時(shí)電路的諧振頻率ωc比LC濾波電路的固有諧振頻率ωo低，因此使濾波器截止頻率以內(nèi)的插入損耗增加，電磁干擾信號(hào)的濾波效果增強(qiáng)。

由此可見(jiàn)，對(duì)于一個(gè)給定的源和負(fù)載，合理設(shè)計(jì)電磁干擾濾波器的固有諧振頻率，才能有效抑制電磁干擾。

總之，由于智能穿戴設(shè)備的特殊性，在設(shè)計(jì)其電磁兼容性能時(shí)，要充分合理設(shè)計(jì)使用屏蔽及濾波，并統(tǒng)一協(xié)調(diào)考慮，反復(fù)測(cè)試，直到達(dá)到最佳電磁兼容性能。