醫(yī)用開關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)方案

1、醫(yī)用開關(guān)電源的EMC 設(shè)計(jì)目前，醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)大多采用成品開關(guān)電源， 而大部分供方企業(yè)又不能提供符合以上系列標(biāo)準(zhǔn)要求的醫(yī)用“開關(guān)電源”， 因此有必要簡單介紹一下醫(yī)用“開關(guān)電源”的 EMC設(shè)計(jì)。1 正確選用模擬與邏輯有源器件電磁干擾發(fā)射和電磁敏感度的關(guān)鍵是模擬與邏輯有源器件的選用。有源器件可分為調(diào)諧器件和基本頻帶器件。 調(diào)諧器件起帶通元件作用，其頻率特性包括中心頻率、帶寬、選擇性和帶外亂真響應(yīng)；基本領(lǐng)帶器件起低通元件作用，其頻率特性包括截止頻率、通帶特性、帶外抑制特性和亂真響應(yīng)， 此外它們還有輸入阻抗特性和輸入端的平衡不平衡特性等。必須注意有源器件固有的敏感特性和電磁發(fā)射特性。有源器件有兩種電

2、磁發(fā)射源：傳導(dǎo)干擾通過電源線、接地線和互連線進(jìn)行傳輸， 并隨頻率增加而增加； 輻射干擾通過器件本身或通過互連線進(jìn)行輻射， 并隨頻率的平方而增加。 瞬態(tài)地電流是傳導(dǎo)干擾和輻射干擾的初始源， 減少瞬態(tài)地電流必須減小接地阻抗和使用去耦電容。模擬器件的敏感度特性取決于靈敏度和帶寬， 而靈敏度以器件的固有噪聲為基礎(chǔ)。邏輯器件的敏感度特性取決于直流噪聲容限和噪聲抗擾度。邏輯器件的翻轉(zhuǎn)時間越短，所占頻譜越寬，為此應(yīng)當(dāng)在保證實(shí)現(xiàn)功能的前提下，盡可能增加信號的上升下降時間。2 PCB板的設(shè)計(jì)實(shí)踐證明 , 即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確 , 印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng) , 也會對電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響。 例如印制板兩條細(xì)平

3、行線靠得太近, 會形成信號波形的延遲 , 在傳輸線的終端形成反射噪聲； 另外，由于電源、地線的考慮不周而引起的干擾 , 會使產(chǎn)品的性能下降。 因此 ,在設(shè)計(jì)開關(guān)電源的PCB板設(shè)計(jì)時 , 應(yīng)注意采用正確的方法。每一個開關(guān)電源都有四個電流回路 : 電源開關(guān)交流回路、輸出整流交流回路、輸入信號源電流回路和輸出負(fù)載電流回路。電源開關(guān)交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形電流 , 這些電流中諧波成分很高 , 其頻率遠(yuǎn)大于開關(guān)基頻 , 峰值幅度可高達(dá)持續(xù)輸入 / 輸出直流電流幅度的 5 倍, 過渡時間通常約為 50 ns 。這兩個回路最容易產(chǎn)生電磁干擾 , 因此必須在電源中其它印制線布線之前先布好這些交流

4、回路。 每個回路的三種主要的元件濾波電容、 電源開關(guān)或整流器、電感或變壓器應(yīng)彼此相鄰地進(jìn)行放置 , 調(diào)整元件位置使它們之間的電流路徑盡可能短。輸入回路通過一個近似直流的電流對輸入電容充電， 輸入濾波電容起到一個寬帶儲能作用邏輯“地”。 輸出濾波電容用來儲存來自輸出整流器的高頻能量 , 同時消除輸出負(fù)載回路的直流能量。所以 , 輸入和輸出濾波電容的接線端十分重要 , 輸入及輸出電流回路應(yīng)分別只從濾波電容的接線端連接到電源。若無法與電容的接線端直接相連，交流能量將由輸入或輸出濾波電容輻射到環(huán)境中。建立開關(guān)電源 PCB板布局的最好設(shè)計(jì)流程是： 放置變壓器、 設(shè)計(jì)開關(guān)電源電流回路、 設(shè)計(jì)輸出整流器電流

5、回路、 連線到交流電源電路的控制電路。3 印制線的布局開關(guān)電源中包含有高頻信號 ,PCB 板上任何印制線都可以起到天線的作用。印制線的長度和寬度會影響其阻抗和感抗 , 從而影響頻率響應(yīng)，即使是通過直流信號的印制線也會從鄰近的印制線耦合到射頻信號并引起電路的問題( 甚至再次輻射出干擾信號) 。因此，應(yīng)將所有通過交流電的印制線設(shè)計(jì)得盡可能短而寬， 將所有連接到印制線和連接到其他電源線的元器件近距離放置。布線時，還應(yīng)將電源線、地線的走向與電流的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲的能力。4 地線的設(shè)計(jì)4.1 選擇單點(diǎn)接地考慮到電路各部分回流到地的電流具有差異性, 地電位的變化引入干擾，接地電路形成的環(huán)流又

6、對干擾影響較大, 因而需采用單點(diǎn)接地法，使電源工作穩(wěn)定 , 減少自激。單點(diǎn)接地，即是將電源開關(guān)電流回路的幾個元器件地線都連到接地腳上 , 輸出整流器電流回路的幾個器件的地線也接到相應(yīng)的濾波電容的接地腳上。 設(shè)計(jì)中，同一級電路的接地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近 , 且本級電路的電源濾波電容也應(yīng)接在該級接地點(diǎn)上。4.2 加粗接地線接地電位則隨電流的變化而變化， 若接地線過細(xì)， 會導(dǎo)致電子設(shè)備的定時信號電平不穩(wěn) , 抗噪聲性能變壞。因此，每一個大電流的接地端都應(yīng)盡量采用短而寬的印制線。 地線、電源線和信號線的粗細(xì)關(guān)系為：地線 > 電源線 > 信號線。若有可能 , 接地線的寬度應(yīng)大于3 m

7、m。有時，也可采用大面積銅層或?qū)⒂≈瓢迳衔词褂玫牟糠峙c地相連接作為地線。開關(guān)電源“ DC-DC轉(zhuǎn)換”的輸入與輸出電路應(yīng)有共同的參考地，可將兩邊地線分別鋪銅后 , 再連接在一起 , 形成共同的地。5 共模干擾的產(chǎn)生和防止開關(guān)電源中的功率開關(guān)管和輸出二極管通常有較大的功率損耗，為了散熱往往需要安裝散熱片或直接安裝在 PCB板上。器件安裝時需要導(dǎo)熱性能好的絕緣片進(jìn)行絕緣 , 這就使器件與 PCB板和散熱器之間產(chǎn)生了分布電容。 開關(guān)電源的底板如果是交流電源的地線， 通過器件與底板之間的分布電容會將電磁干擾耦合到交流輸入端， 產(chǎn)生共模干擾。解決這個問題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片 , 并把屏蔽

8、片接到直流地上，這樣就割斷了射頻干擾向輸入電網(wǎng)傳播的途徑。6 開關(guān)電源屏蔽罩的采用為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射 , 消除電磁干擾對其他電子設(shè)備的影響 , 可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩，然后將整個屏蔽罩與醫(yī)療器械產(chǎn)品的機(jī)殼、地連為一體 , 就能對電磁場進(jìn)行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用，例如 , 靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場的干擾； 電磁屏蔽用的導(dǎo)體原則上可以不接地 , 但不接地的屏蔽導(dǎo)體會增強(qiáng)靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負(fù)靜電屏蔽”效應(yīng) , 所以仍以接地為好 , 這樣既電磁屏蔽又能同時發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點(diǎn)與大地相連 , 可為信號回路提供穩(wěn)定的參考電位

9、。因此 , 系統(tǒng)中的安全保護(hù)地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后 , 最終都與大地相連。7 電磁屏蔽材料的選擇選擇具有較高導(dǎo)電、 導(dǎo)磁特性的材料作為屏蔽材料， 也是一種減少電磁干擾的方法。7.1 電磁密封襯墊電磁密封襯墊的特性1）電磁密封襯墊是一種彈性好、導(dǎo)電性高的材料，將這種材料填充在縫隙處，能保持導(dǎo)電連續(xù)性，是解決縫隙電磁泄漏的好方法。在選用電磁密封襯墊時，需要熟悉以下特性參數(shù)： 轉(zhuǎn)移阻抗轉(zhuǎn)移阻抗越低，則兩側(cè)屏蔽板之間的電磁泄漏越小，加襯墊后該縫隙的屏蔽效能越高； 硬度 襯墊的硬度應(yīng)當(dāng)適中。硬度太低，易造成接觸不良，屏蔽效能較低；硬度太高，需要較大的壓力，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成困難；壓

10、縮永久形變 壓縮永久形變越小越好； 襯墊厚度 襯墊的厚度應(yīng)能滿足接觸面不平整度的要求， 利用其彈性將縫隙填充滿， 達(dá)到導(dǎo)電連續(xù)性的目的。2）常見的電磁密封襯墊類型 金屬絲網(wǎng)襯墊 只適用于 l GHz以下的頻率范圍。用金屬絲編織成的彈性網(wǎng)套，為純金屬接觸，接觸電阻低；但金屬絲在高頻時會呈現(xiàn)較大感抗，使屏蔽效能降低。 橡膠芯編織網(wǎng)套：將金屬絲編織的網(wǎng)套套在發(fā)泡橡膠芯或硅橡膠芯上，具有很好的彈性和導(dǎo)電性。 導(dǎo)電橡膠襯墊 在硅橡膠內(nèi)填充金屬顆?；蚪饘俳z， 構(gòu)成導(dǎo)電的彈性物質(zhì)。由于導(dǎo)電橡膠中的導(dǎo)電顆粒之間的容抗在高頻時會降低， 因此，填充金屬顆粒在高頻時屏蔽效能較高。 如果填充方向一致的金屬絲，還可以做

11、到純金屬接觸，但由于金屬絲在高頻時呈現(xiàn)較大感抗，使屏蔽效能降低，所以填充金屬絲時只適用于低頻。 鈹青銅指形簧片 鈹青銅具有良好的導(dǎo)電性和彈性， 可制成各種指形簧片。 螺旋管襯墊：用鍍錫被銅或不銹鋼做成的螺旋管， 具有良好的彈性和導(dǎo)電性，是目前屏蔽效能最高的襯墊。7.2 導(dǎo)電化合物導(dǎo)電化合物包括各種導(dǎo)電膠和導(dǎo)電填充物。環(huán)氧導(dǎo)電膠可用于金屬之間、金屬與非金屬之間，各種硬性表面之間的導(dǎo)電粘接；可代替焊錫，完成微波器件引線連接；可修復(fù)印制板線路，用于導(dǎo)電陶瓷、天線元件、玻璃除霜、導(dǎo)電導(dǎo)熱和微波等波導(dǎo)部件的粘接。硅脂導(dǎo)電膠用于將彈性的導(dǎo)電橡膠粘接固定在金屬表面上。 導(dǎo)電填充物是一種高導(dǎo)電漿糊狀材料，用于

12、無法加裝屏蔽襯墊的縫隙處，固化后仍能保持彈性。7.3 鐵氧體電磁干擾抑制元件鐵氧體是一種立方晶格結(jié)構(gòu)的亞鐵磁性材料， 它的制造工藝和機(jī)械性能與陶瓷相似， 顏色為灰黑色。 不同的鐵氧體電磁干擾抑制元件具有不同的最佳抑制頻率范圍， 磁導(dǎo)率越高抑制的頻率就越低。 此外，鐵氧體的體積越大，抑制效果越好。在體積一定時，長而細(xì)的形狀比短而粗的抑制效果好， 內(nèi)徑越小抑制效果也越好。 但在有直流或交流偏流的情況下，還存在鐵氧體飽和的問題，抑制元件橫截面越大，越不易飽和，可承受的偏流越大。鐵氧體元件廣泛應(yīng)用于印制電路板、電源線和數(shù)據(jù)線上。 鐵氧體磁環(huán)或磁珠專用于抑制信號線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾，具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。 印制板的電源線入口端加上鐵氧體抑制元件，可以濾除高頻干擾。鐵氧體抑制元件應(yīng)當(dāng)安裝在靠近