医用开关电源的电磁兼容EMC性设计

有源医疗器械应用广泛，如各种监护设备、磁共振、心电图机、输液泵和电动手术床等，都离不开“电源”。 随着电子技术的快速发展，开关电源越来越多地应用于医疗设备中。 除了大大减少产品的体积和重量外，还大大增加了煤耗，提高了工作效率。 合格的医疗电源不仅应符合GB9706.1-2007和YY0505-2006标准的要求，还应符合GB/T17626.2-1998（静电防护能力，要求达到3kV）、GB/T17626的要求。 3-1998（射频幅值辐射防护，要求达到3V/m）、GB/T17626.4-1998（电流瞬变耐受能力，要求达到1kV）、GB/T17626.5-1998（电网浪涌电流能力，要求达到1kV）要求达到1kV和2kV）、GB/T17625.1-2003（网络电缆线路纹波要求）、GB/T17625.2-1994（电源线闪变要求）以及EN55011等系列电磁兼容标准要求。

目前，大多数医疗器械制造商都使用成品开关电源，而大多数供应商企业无法提供符合上述系列标准要求的医疗“开关电源”。 因此，有必要简单介绍一下医用“开关电源”的EMC设计。

1、正确选择模拟和逻辑有源元件

电磁干扰发射和电磁敏感性的关键是模拟和逻辑有源器件的选择。

有源元件可分为调谐元件和基频元件。 调谐元件起到带通器件的作用，其频率特性包括中心频率、带宽、选择性和带外杂散响应； 基本套装元件起到低通器件的作用，其频率特性包括截止频率、通带特性和带宽。 外部抑制特性和杂散响应，此外，它们还具有输入阻抗特性和输入平衡与不平衡特性。 必须注意有源元件固有的灵敏度和电磁发射特性。 有源元件有两个电磁发射源：传导干扰通过电源线、地线和互连线传输，并随频率而降低； 辐射干扰通过元件本身或通过互连线辐射，并随着频率的增加而降低。 按频率的平方减少。 瞬态接地电压是传导干扰和辐射干扰的最初来源。 为了降低瞬态接地电压，必须降低接地阻抗并使用去耦电容。

模拟元件的灵敏度特性取决于灵敏度和带宽，而灵敏度则基于元件的固有噪声。 逻辑元件的灵敏度特性取决于直流噪声容限和噪声抗扰度。 逻辑元件的切换时间越短，其占据的频谱越宽。 因此，在保证功能实现的情况下，应尽可能减少信号的上升/增长时间。

2、PCB板设计

实践证明，虽然电路原理图设计正确，但印刷电路板设计不当也会对电子设备的可靠性产生不利影响。 例如，如果印刷电路板上的两条细平行线靠得太近，就会造成信号波形的延迟，并在传输线的终端产生反射噪声； 另外，电源、地线考虑不周而产生的干扰也会导致产品发生故障。 业绩增长。 因此，在设计开关电源的PCB板设计时，要注意正确的方法。

每个开关电源都有四个电压环路：功率开关交流环路、输出检测交流环路、输入信号源电压环路和输出负载电压环路。

电源开关的交流电路和检测器的交流电路含有高幅值矩形电压。 该电压的纹波成分非常高，其频率远小于开关噪声。 峰值幅度可高达连续输入/输出直流电压幅度的 5 倍。 过渡时间一般为50ns左右。 这两个回路最有可能引起电磁干扰，因此必须在电源中的其他印刷线布线之前布置该交流回路。 每个环路的三个主要组件，即混合电容器、电源开关或检测器以及电感器或变压器，应彼此相邻放置，调整器件位置，以使它们之间的电压路径尽可能短。

输入环路通过近似直流电压对输入电容器充电，输入混合电容器充当宽带能量存储——逻辑“地”。 输出混频电容用于存储来自输出检测器的高频能量，同时去除来自输出负载电路的直流能量。 因此，输入和输出混合电容器的端子非常重要，输入和输出电压回路只能从混合电容器的端子连接到电源。 如果不直接连接到电容器的端子，交流能量将通过输入或输出混合电容器辐射到环境中。

构建开关电源 PCB 板布局的最佳设计流程是放置变压器、设计开关电源电压环路、设计输出检测器电压环路并将控制电路连接到交流电源电路。

3. 打印行的布局

开关电源含有高频信号，PCB上的任何印制线都可以充当天线。 印刷线的宽度和长度会影响其阻抗和电感，从而影响频率响应。 虽然印刷线传递的是直流信号，但它也会耦合到相邻印刷线的射频信号并导致电路问题（甚至重新循环）。 辐射干扰信号）。 因此，所有承载交流电的印刷线应设计得尽可能短和宽，并且所有连接到印刷线和其他电源线的组件应放置在靠近的位置。 布线时，电源线和地线的方向也应与电压方向一致，这样有利于提高抗噪声能力。

4、地线设计

4.1 选择单点接地

考虑到电路各部分返回地的电压不同，地电位的变化会引入干扰，而接地电路产生的环流对干扰的影响较大。 因此需要采用单点接地的方式来稳定电源并减少相移。 。 单点接地是指将功率开关电压电路的多个元件的相线连接到接地引脚，并且输出检测电压电路的多个元件的相线也连接到对应的混合电容器的接地引脚。 设计时，同级电路的接地点应尽可能靠近，且本级电路的电源混频电容也应连接到本级的接地点。

4.2 粗接地线

地电位随电压的变化而变化。 如果地线太细，电子设备的定时信号电平会不稳定，抗噪声性能也会变差。 因此，各大电压的接地端应尽量采用短而宽的印制线。 相线、电源线、信号线的粗细关系为：相线>电源线>信号线。 如果可能的话，接地线的长度应小于3mm。

有时，也可以使用大面积的铜层或将印制板未使用的部分作为相线连接到地。 开关电源“DC-DC转换”的输入和输出电路应有一个公共参考地。 两侧相线可分别敷铜，然后连接在一起形成公共地。

5、共模干扰的形成及避免

开关电源中的功率开关管和输出晶闸管一般功率损耗较大，往往需要加装散热器或直接安装在PCB板上进行散热。 元件安装时，需要导热性能良好的绝缘片进行绝缘，这使得元件、PCB板和散热器之间形成分布电容。 如果开关电源的基板是交流电源的相线，电磁干扰会通过元件与基板之间的分布电容耦合到交流输入端，造成串扰干扰。 解决这个问题的方法是使用两层绝缘片之间夹有屏蔽片，并将屏蔽片连接到直流地，从而中断射频干扰向输入电网的传播。

6、开关电源屏蔽罩的使用

为了抑制开关电源产生的辐射，去除电磁干扰对其他电子设备的影响，可以将屏蔽罩完全按照屏蔽磁场的方法进行加工，然后将整个屏蔽罩与医疗器械产品的外壳和地线，可以有效屏蔽电磁场。 将电源的各个部分接地可以抑制干扰。 例如，将静电屏蔽层接地可以抑制电场变化的干扰； 原则上，用于电磁屏蔽的导体可以不接地，但不接地的屏蔽导体会增加静电耦合，造成所谓的“负静电屏蔽”效应，所以还是接地比较好，这样不仅可以屏蔽电磁同时还起到静电屏蔽的作用。 电路的公共参考点接地，可以为信号回路提供稳定的参考电位。 因此，系统中的安全保护相线、屏蔽地线和公共参考相线在各自产生接地母线后均接地。

7、电磁屏蔽材料的选择

选择具有高导电性和磁性的材料作为屏蔽材料也是减少电磁干扰的一种方法。

7.1 电磁密封衬套

电磁密封套管的特点

1）电磁密封套管是弹性好、导电率高的材料。 在间隙中填充这些材料可以保持导电连续性，是解决间隙电磁泄漏的好方法。 选择电磁密封衬套时，需要熟悉以下特性参数：

①传输阻抗 传输阻抗越低，两侧屏蔽板之间的电磁泄漏越小，加套管后间隙的屏蔽效能越高；

②硬度衬套的强度要适中。 如果强度太低，容易导致接触不良，屏蔽效率低； 如果强度太高，则需要更大的压力，给结构设计带来困难； ③压缩永久变形压缩永久变形越小越好； ④ 衬套长度 套管的长度应能满足接触面不平整的要求，并利用其弹性填充间隙，以达到电气连续的目的。

2）电磁密封套管的常见类型

①丝网套管仅适用于lGHz以下的频率范围。 金属丝编织的弹性网套，触点纯银，内接触电阻低； 然而，金属线在高频下会表现出更大的电感，从而提高屏蔽效果。 ②胶芯编织网套：将金属丝编织的网套置于泡沫胶芯或硅橡胶芯上，具有良好的弹性和导电性。 ③导电橡胶套管是在硅橡胶内填充金属颗粒或导线，形成导电弹性材料。 由于导电橡胶中导电颗粒之间的容抗在高频时会增大，因此，填充的金属颗粒在高频时的屏蔽效果更高。 如果沿同一方向填充金属线，也可以实现纯银接触。 但由于金属线在高频时表现出较大的电感，从而增加屏蔽效果，因此填充金属线仅适用于低频。 ④铍青铜指簧铍青铜具有良好的导电性和弹性，可制成各种指簧。 ⑤螺旋管套管：由镀铜铜或碳钢制成的螺旋管具有良好的弹性和导电性，是目前屏蔽效果最高的套管。

7.2 导电化合物

导电化合物包括各种类型的导电粘合剂和导电填料。 醇酸导电胶可用于金属之间、金属与非金属之间、各种硬质表面之间的导电粘接； 可代替焊料完成微波元件的引线连接； 可修复印刷电路板，用于导电陶瓷、天线元件等波导元件、玻璃磨砂、电/热传导、微波等的粘接。

硅胶导电胶用于将弹性导电橡胶粘接到金属表面。 导电填料是一种高导电膏状条带材料，用于屏蔽套管改装困难的空隙，并且在固化后保持弹性。

7.3 铁氧体电磁干扰抑制装置

铁氧体是一种具有立方晶格结构的亚铁磁性材料。 其制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为黄色。 不同的铁氧体电磁干扰抑制器件其最佳抑制频率范围不同，磁导率越高，抑制频率越低。 据悉，铁氧体的体积越大，抑制效果越好。 当体积一定时，长而细的形状优于短而粗的形状，且外径越小，抑制效果越好。 然而，在直流或交流偏置电流的情况下，仍然存在铁氧体饱和的问题。 抑制器件的截面越大，其饱和的可能性越小，能够承受的偏置电流也越大。

铁氧体器件广泛应用于印刷电路板、电源线和数据线。 铁氧体磁环或磁珠专门用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰，并具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。 印制板电源线入口处加有铁氧体抑制装置，可以滤除高频干扰。

铁氧体抑制装置应安装在靠近干扰源的位置，对于输入/输出电路，应尽可能靠近屏蔽罩的入口和出口。 安装时还应注意，铁氧体器件易碎，应采取可靠的固定措施。

以上就如何提高医用开关电源的电磁兼容设计提出了自己的看法。 如果有什么不舒服的地方，希望与大家分享。 无论如何，开发者必须熟悉自己产品的特点，掌握正确的EMC设计方法，并在产品设计初期按照标准要求考虑各项EMC指标，才能保证医疗器械的正常使用并成功通过电磁兼容检查。

差模干扰的纠正措施：

1.减小X电容值

2、减小串扰电感的电感，利用其漏感来抑制差模噪声（由于串扰电感有几种绕制形式，有两根线并联绕制，也有两根线分开绕制，无论哪种绕制方式使用时，由于绕制不紧、导线长度差异等原因，肯定会出现漏磁现象，即一个线圈形成的磁力线不能完全穿过另一个线圈，从而产生感应电流。 LN导线之间的电动势，相当于LN之间串联一个电感）

右图为串扰干扰测试FALL数据：

电源线与地之间的寄生电容导致串扰干扰产生环路。 干扰噪声通过电容流到地，在LISN-电缆-寄生电容-地之间产生纹波干扰电压，被接收器检测到。 导致导通超标（这也可以解释为什么有些显卡在不接地的情况下通过导通测试，一夹相线就超标。在USB模式下不接地时，电压回路只能通过L-晶闸管-负载-热地-晶闸管-N，串扰电压无法返回LISN，LISN检测到的噪声较小，显卡冷地直接接地时，电缆之间存在回路和地。串扰噪声如果没有被后端LC混合电路吸收的话，也会造成导通超标）

串扰干扰的整改措施：

1.增强串扰电感

2. 调整L-GND、N-GND上的LC混频器以滤除串扰噪声

3、显卡应尽可能接地，以减少对地阻抗，从而减少电缆与地之间的寄生电容。

2）产品电磁兼容性威胁来源包括：

1、设备开关电源的开关电路：威胁源的内存为几十kHz到一百多kHz，高阶纹波可扩展到几十MHz。

2、设备直流电源的检测电路：工频线性电源的频率检测噪声频率上限可扩展至数百kHz； 开关电源的高频检测噪声频率上限可扩展至数十MHz。

3、用电设备直流电机导轮的噪声：噪声频率上限可扩展至数百MHz。

4、电气设备中交流电机的运行噪声：高阶纹波可达数十MHz。

5、变频调速电路的威胁发射：开关调速电路的威胁源频率为几十kHz到几十MHz。

6、设备运行状态切换引起的开关噪声：机械或电子开关动作引起的噪声频率上限可扩展至数百MHz。

7、智能控制设备晶振和数字电路的电磁威胁：威胁源内存范围为数十kHz至数十MHz，高阶纹波可延伸至数百MHz。

8.微波设备的微波泄漏：威胁源是几GHz的显存。

9、电磁感应加热设备电磁威胁发射：威胁源内存为数十kHz，高阶纹波可延伸至数十MHz。

10、电视电声接收设备高频调谐电路的本振及其纹波：源存储器范围为数十至数百MHz，高阶纹波可延伸至数GHz。

11、信息技术设备及各种手动控制设备的数字处理电路：威胁源显存数十MHz至数百MHz（通过内部外频显存可达数GHz），高阶纹波可扩展到十余种兆赫。