淺析醫(yī)療設(shè)備常見的電磁干擾問題

1.設(shè)備的接地電阻過高問題

醫(yī)療設(shè)備的接地電阻過高被列為十大問題之首，這是因?yàn)檫@種故障的發(fā)生概率最高，一臺(tái)設(shè)備的電磁發(fā)射問題、自兼容問題及抗干擾性問題，其根源都與設(shè)備的接地阻抗過高有關(guān)，通常這不是指普通的低頻接地問題，也不是指接地場(chǎng)所問題，而是由于局部(如電路板或電纜)的接地阻抗過高而引起的。高阻抗的接地路徑常常會(huì)導(dǎo)致電纜屏蔽失效并產(chǎn)共模電流。

在高頻下導(dǎo)線和編織線大都呈現(xiàn)高阻抗性，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)避免應(yīng)用導(dǎo)線或編織接地。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每英寸長(zhǎng)導(dǎo)線的感抗為20nH。因此在，100MHz時(shí)，1英寸導(dǎo)線的感抗可以達(dá)到12Ω。所以，在射頻情況下，應(yīng)對(duì)任何長(zhǎng)度導(dǎo)線的采用持慎重態(tài)度，采接地片是一個(gè)很好的辦法，接地片的長(zhǎng)寬比至少要達(dá)到5:1。也就是說，對(duì)于一個(gè)5英寸長(zhǎng)的接地片而言，其寬度至少應(yīng)為1英寸。

2.電纜線的屏蔽不足問題

當(dāng)設(shè)備遇到電磁發(fā)射或射頻抗干擾問題時(shí)，一般都會(huì)涉及電纜問題，電纜的接地阻抗在這里起到了很大作用。

“單點(diǎn)接地”的原則適用于低頻，但對(duì)射頻沒有多大效果。比較棘手的事情是:由于電纜不能終止于患者的終端，因此屏蔽就不能兩端接地。此外，當(dāng)設(shè)備不能有效接地甚至需要維持絕緣時(shí)，采取濾波有時(shí)比屏蔽更有效。

在低頻下，電纜的屏蔽層可以一端接地，但如果電纜的長(zhǎng)度超過波長(zhǎng)的l/20，電纜屏蔽層就需要兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地。這里特別要指出，當(dāng)電纜長(zhǎng)度是波長(zhǎng)的1/4時(shí)情況將最糟。順便提出，許多市售的電纜屏蔽層都是編織制品，這對(duì)解決射頻的電磁兼容性不利。此外，電纜的屏蔽層也很容易遭到破壞。例如，有些電纜屏蔽物是由聚酯薄膜制成的，不很結(jié)實(shí)，有時(shí)即使遭受輕微觸碰，也會(huì)造成屏蔽物的破裂，降低了屏蔽效果，而這種破裂很難用肉眼發(fā)現(xiàn)。

3.開關(guān)電源的發(fā)射問題

開關(guān)電源或AC/DC轉(zhuǎn)換器的電磁發(fā)射問題由來已久，開關(guān)電源的電路構(gòu)成及開關(guān)電源本身的布局和結(jié)構(gòu)往往使開關(guān)電源的電磁發(fā)射成為其推廣應(yīng)用中的一個(gè)大問題。盡管這個(gè)問題非常普遍，但在醫(yī)療電子學(xué)中卻顯得尤其重要，所以在醫(yī)療設(shè)備的電源體積和質(zhì)量不成問題的場(chǎng)合中，可以考慮采用傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源。對(duì)于電源部分，體積與質(zhì)量成為質(zhì)量性能的關(guān)鍵因素，因此如何選用具有優(yōu)良電磁兼容性能的開關(guān)電源便成為該醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。

4.電源線濾波器的采用問題

由于醫(yī)療設(shè)備的電磁發(fā)射不局限于其內(nèi)部選用的開關(guān)電源，因此電源進(jìn)線部分的線路濾波器也成為抑制高頻干擾的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在一般的電源線濾波器中都有兩個(gè)共模干擾的抑制電容(Y電容)，它可以使設(shè)備的共模電流得到控制，但在醫(yī)療設(shè)備的電源線濾波器中不宜用此類小電容，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致設(shè)備的泄漏電流過大。醫(yī)療設(shè)備對(duì)電源線濾波器的這一選擇原則使設(shè)計(jì)人員失去了一個(gè)抑制共模電流的有效手段，剩下來的唯一可用手段就是加大電源線濾波器中串聯(lián)電感的阻抗。

要想設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)良的電源線濾波器，濾波器的線路設(shè)計(jì)僅僅是很小的一部分，濾波器內(nèi)部元器件的選型、濾波器內(nèi)部布局和結(jié)構(gòu)及濾波器內(nèi)部元件的分布參數(shù)，才是決定電源線濾波器性能真正的關(guān)鍵因素。

5.液晶顯示器的電磁發(fā)射問題

隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，在醫(yī)療設(shè)備中采用單片機(jī)進(jìn)行控制的情況越來越多，在設(shè)備的面板上采用液晶顯示器作為人機(jī)對(duì)話界面的情況也越來越多，液晶的應(yīng)用也帶來了液晶顯示器的電磁發(fā)射問題。

液晶顯示器通常由電路板上專門引出的一根排線所驅(qū)動(dòng)，由于液晶顯示器的高阻抗特點(diǎn)，使送到液晶顯示器的信號(hào)電流不可能完全返回到這根電纜中，其中的一小部分會(huì)形成電磁輻射進(jìn)入周圍的電磁環(huán)境。

為了抑制液晶顯示器的電磁發(fā)射問題，首先需要利用盡可能短的回路將信號(hào)電流全部返回到驅(qū)動(dòng)電路板中。一個(gè)比較好的方法是通過在排線下面設(shè)置一個(gè)接地片，用以降低信號(hào)電流返回路徑中的阻抗。另外，作為液晶顯示器結(jié)構(gòu)的一部分，在液晶顯示器的背面要設(shè)一個(gè)金屬外殼的4個(gè)角都要接地。

6.設(shè)備內(nèi)部線路的相互藕合問題

在高頻狀態(tài)下，設(shè)備內(nèi)部線路之間會(huì)有一個(gè)相互藕合的問題，因此線路的布局不當(dāng)，特別是對(duì)患者檢測(cè)信號(hào)輸入線路的布局不當(dāng)，常常是導(dǎo)致醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)成敗的兩種截然不同的結(jié)果的直接原因。

在處理設(shè)備的電磁兼容上出現(xiàn)的問題時(shí)，常常會(huì)將電感器或鐵氧體磁芯置于線路的輸入與輸出之間，用以抑制設(shè)備內(nèi)部和外部的射頻干擾，這樣一來就使朝向噪聲源這一端的電感器帶有相當(dāng)大的高頻電壓。這種高頻電壓可通過電容性的耦合而作用到附近的金屬性物質(zhì)上，如接地層、電路板、散熱器等。因此，在采用這種處理干擾的抑制方案時(shí)要十分小心，要避免與一些敏感器件或敏感電路產(chǎn)生耦合。

另外，在用鐵氧體磁芯吸收線路上的干擾時(shí)，將鐵芯體磁芯放在連接線路的外部要比把它布放在電路板的效果會(huì)明顯一些。因?yàn)檫@種方式可避免干擾在磁芯后面的連接線路與敏感線路的耦合問題。

7.元器件的分布參數(shù)問題

在醫(yī)用設(shè)備中，所選用的元器件本身的缺陷也會(huì)限制其性能的發(fā)揮。我們知道，所有的電容器都存在寄生的串聯(lián)電感，兩者構(gòu)成了一個(gè)串聯(lián)諧振電路:而所有的線繞電感器都存在繞組匝間和層間的分布電容，兩者構(gòu)成了一個(gè)并聯(lián)諧振電路，這種電路的諧振頻率比想像中的頻率要低得多。例如，許多電容器的諧振頻率低于100MNz；許多線繞電感器的諧振頻率低于20MHz，至于變壓器的諧振頻率更有低于5MHz以下者。因此，電路設(shè)計(jì)人員要充分了解這些元器件的實(shí)際性能，無論濾波器還是退耦元件，它們都具有在諧振狀態(tài)下工作的可能性，這將導(dǎo)線線路與線路之間的串?dāng)_問題，這種串?dāng)_不但能對(duì)線路造成損壞，還能導(dǎo)致信號(hào)傳輸情況變得非常糟糕。

8.信號(hào)傳輸中的阻抗不連續(xù)問題

隨著高速數(shù)字電路的廣泛應(yīng)用，印制電路板中的電磁兼容問題顯得越來越重要，而許多PCB問題可歸納為信號(hào)傳輸過程中的阻抗不連續(xù)問題。

信號(hào)傳輸中的阻抗不連續(xù)問題始終圍繞著信號(hào)的流通回路，理想中是信號(hào)沿著一條線路流出，然后迅速沿著接地回線流回。然而根據(jù)物理學(xué)中最小能量的消耗定律，電流通常是沿著最小能量路徑返回，這時(shí)信號(hào)的返回通路常常會(huì)出現(xiàn)阻抗不連續(xù)的情況，一旦這種情況發(fā)生，就會(huì)引起信號(hào)的反射，造成傳輸信號(hào)的畸變。另外，在傳輸線路的不連續(xù)處，還會(huì)導(dǎo)致輻射發(fā)射問題。

9.信號(hào)及其返回通路問題

對(duì)于設(shè)備的布線，人們往往認(rèn)為即使多用一根接地返回線路也會(huì)是一種浪費(fèi)。由于多數(shù)信號(hào)線與接地回路之間距離過遠(yuǎn)，因此一根接地回線要作為多跟信號(hào)線，甚至所有信號(hào)線的接地問線。這時(shí)，這根接地回線至少存在兩個(gè)問題。首先，由于這根接地回線與大部分信號(hào)線之間的距離都比較遠(yuǎn)，信號(hào)線與接地回線之間構(gòu)成的環(huán)天線就比較大，環(huán)天線對(duì)外的輻射發(fā)射及環(huán)天線對(duì)外界電荷干擾的接收問題都不容忽視;其次，這根信號(hào)線共用接地回線的公共阻抗問題不容忽視，特別是在信號(hào)線上傳輸?shù)男盘?hào)速度較高，信號(hào)的邊沿比較陡時(shí)，公共阻抗的相互干擾問題尤其嚴(yán)重。

實(shí)用中傳輸線路究竟需要多少根接地返回線路才算適當(dāng)，這要由數(shù)據(jù)的傳輸速率及傳輸線路的長(zhǎng)度來決定。對(duì)于信號(hào)一超過100MHz的高速傳輸，建議采用一根信號(hào)對(duì)一根接地的返回線路，而對(duì)于小于10MHz的低速傳輸，可以折中采用兩根（或多根）信號(hào)對(duì)一根接地的返回線路。

10.設(shè)備外殼的靜電放電問題

靜電放電是一個(gè)經(jīng)常發(fā)生而且讓人感到頭痛的問題。以塑料外殼的醫(yī)療設(shè)備為例，為了降低塑殼設(shè)備的電磁發(fā)射和提高塑殼設(shè)備的抗射頻干擾能力，設(shè)計(jì)人員會(huì)在塑料外殼上進(jìn)行導(dǎo)電噴涂。為了使導(dǎo)電噴涂的效果明顯，通常要求對(duì)塑殼結(jié)合部位的縫隙全部進(jìn)行噴涂，以求達(dá)到結(jié)合而生幾的傳導(dǎo)連續(xù)性，但是這種做法又造成了新的靜電放電接觸點(diǎn)。也就是說，設(shè)計(jì)者在解決一個(gè)問題的同時(shí)卻又引進(jìn)了一個(gè)新的、非常棘手的問題。

為了解決上述問題，設(shè)一計(jì)人員可以有三種選擇:重新設(shè)計(jì)線路及內(nèi)部布局，盡量降低設(shè)備對(duì)導(dǎo)電噴涂的需要;重新對(duì)設(shè)備外殼進(jìn)行噴涂，盡量避免產(chǎn)生放電，特別仔細(xì)地使用遮蔽物，使可能產(chǎn)生放電的縫隙得到保護(hù)。