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医疗电子设备电快速瞬变脉冲群抗干扰试验模型的分析

1.引言

随着高速电路在医疗领域的广泛应用,结合医疗领域用户和电磁兼容使用环境的特殊性,医疗电子设备的抗干扰问题引起了越来越多的关注。因此,国家制定了相应的抗干扰等级要求,通过标准的抗干扰测试系统,验证医疗电子设备的抗干扰等级是否满足市场要求,脉冲群抗干扰测试是最常见、最困难的抗干扰测试之一。

本文结合电快速瞬变脉冲群抗干扰测试系统和医疗电子设备,根据医疗电子设备的特点建立脉冲群抗干扰测试模型,为电子工程师提供系统设计方法和思路,通过分析测试模型中干扰电流的路径,降低脉冲群抗干扰。


2.脉冲群产生机制

一旦打开或关闭负载电路的接触点,接触点之间可能会发生电击穿。当接触点接近且未完全接触时,开始发生故障。在关闭接触点的过程中,故障将持续发生,直到接触点关闭。

存储在电网感性负载中的能量与分布电容形成共振,峰值高电压不断击穿继电器.接触器的接触间隙形成一个放电电弧,直到动态和静态接触点之间的间隙变大,无法通过。在此过程中,将产生一系列高压脉冲组,即电动快速瞬态脉冲组。


霍达尔仪器


3.脉冲群抗扰测试系统

为了防止医疗电子设备受到脉冲群干扰的影响,国家规定医疗电子设备需要通过脉冲群抗干扰试验,医疗电子设备应放置在金属耦合板上,通过电源线或一定长度的输入输出电缆干扰发生器,干扰通过设备与金属耦合板之间的等效电容器返回脉冲群干扰发生器。L/N/PE电缆注入干扰的情况就是一个例子。通常,由高压源产生的直流高压由脉冲群干扰发生器充电.整形手术形成所需的脉冲干扰信号,脉冲干扰信号通过阻抗匹配电阻和直接电容输出到待测设备L/N/PE在电缆上,最后通过金属耦合板返回高压源。因此,脉冲群干扰发生器和金属耦合板可以等同于图1中的等效模型。


4.医用电子设备脉冲群抗扰测试模型

4.1医用电子设备的特点

医疗电子设备通常有患者的电缆长度.产品类型多样化.敏感电路的抗干扰门限制较低。患者电缆通常是系统中最长的部分。作为等效天线,它可以拾取和辐射噪声。例如,心电图机监测器有一较长的患者电缆。此外,根据应用场景的需要,医疗电子设备有多种产品类型,如网络电源与浮地相结合的设备.干电池供电设备.有保护接地的设备.设备内部钣金。


4.2脉冲群抗扰测试模型

脉冲群抗干扰试验模型结合医用电子设备的特点和脉冲群抗干扰试验系统的原理,如图2所示:


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C1~C脉冲群发生器耦合电容.L设备接地线等效电感.C4.C5.C6等效电容电容为线路板和设备的内部钣金.C7.浮地电路两端的等效电容.C8.C9.电缆和金属耦合板之间的等效电容.C10等效电容设备内部钣金与金属耦合板之间。

使用该模型时没有额外的接地线设备L可以认为断路。

当没有内部钣金设备使用此模型时,删除此模型C10.同时减小C4.C5.C6容值。

当使用没有患者电缆和输入输出电缆的设备模型时,C8.C9。

当使用没有浮地应用的设备模型时,可以认为C7短路。

C1-C3.电容值为脉冲群抗干扰设备的内部电容值已固定,浮地设备可根据变压器进行固定.确定等效电容和跨接电容的容值C7数值,C8.C等效电容可根据导线与金属平面之间的电容计算公式计算,其他电容可根据两个金属平面之间的电容计算公式计算。


5.医用电子设备脉冲群抗扰测试模型的应用

脉冲群抗干扰滤波设计的核心思想是控制干扰电流的流向,避免流经意外路径。根据医用电子设备脉冲群抗干扰试验模型的分析,干扰电流的主要回流路径如图3所示:


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在设计脉冲群抗干扰度时,应尽量引导主要干扰能量。首先,根据红色路径返回,然后根据粉红色路径返回,以避免根据蓝色路径返回。干扰信号通过粉红色路径返回时,应根据敏感设备与回流路径之间的距离判断是否有不利影响。根据测试模型,设计思路如下:

1)当设备接地良好且与金属耦合板直接连接时,尽量通过接地线过滤干扰,以减少等效电感L1,L根据公式降低R=2πfL可以看出,高频下的感觉电阻值将变小,接地线为干扰电流提供了一个低电阻回路,从而在开始过滤掉接地线,即图3中的红线部分,不会通过后电路,减少对敏感电路的干扰。

2)如果设备有内部金属钣金,C它将存在于金属钣金和金属耦合板之间的等效电容。当等效电容较大时,由公式组成R=1/(2πfC)由此可见,容抗会变小,那么干扰就会从这个通路流向金属耦合板,回到干扰源,避免通过敏感电路。

3)当设备没有内部金属钣金时,图3中C10不存在,C4.C5.C6与金属耦合板直接连接,此时可以在AC/DC之后C7前一个电路串联成共模电感,增加线路上的阻抗,使干扰尽可能在红色路径上衰减,使干扰尽可能少地通过数字电路或模拟电路。

4)如果设备有患者电缆,如血氧电缆.心电导电连接电缆。它从空间中拾取辐射干扰电流,与金属耦合板之间存在较大的等效电容,如图所示C8.C9.特别是当电缆较长时,C8.C9的等效电容值将增加,因此容抗R将非常小,成为干扰电流的低阻抗回路,因此干扰必须通过中间模拟或数字电路。如果干扰路径为图3中的蓝色部分,则会影响设备。

根据医疗电子设备脉冲组抗干扰试验模型的分析,电子工程师在进行脉冲组抗干扰设计时,应从干扰路径进行分析,并在敏感电路前尽可能过滤干扰。干扰电流的回流可以通过电容过滤来引导,串联电感增加了干扰电流的衰减。如果不能避免其通过中间敏感电路的流动,设计人员需要增加敏感电流的抗干扰门限制,并做好敏感电路的接地设计。


6.结束语

本文结合医疗电子设备的特点和电快速瞬变脉冲群测试环境,提出了医疗电子设备电子快速瞬变脉冲群抗干扰测试模型,该模型是一个简单直观的整体测试模型,可以为医疗电子设备提供整体设计理念,降低设计成本和设计时间。


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