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武漢開關電源
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醫用開關電源的電磁兼容性設計

时间:2021-12-11     【原创】

       醫用開關電源的使用極為普遍,如各類監護設備、磁共振、心腦電圖機、輸液泵和電動手術床等,它們都離不開“電源”。隨著電子技術的快速發展,醫療設備中越來越多地采用開關電源。不僅大大的縮小了產品的體積,減輕重量,并極大地降低了能耗,提高了工作效率。合格的醫用開關電源不僅應符合GB9706.1-2007和YY0505-2006標準的要求,還應滿足GB/T17626.2-1998、GB/T17626.3-1998、GB/T17626.4-1998、GB/T17626.5-1998、GB/T17625.1-2003、GB/T17625.2-1994以及EN55011等系列電磁兼容標準要求。


  目前,醫療器械生產企業大多采用成品醫用開關電源,而大部分供方企業又不能提供符合以上系列標準要求的醫用開關電源,因此晶凱源小編有必要簡單介紹一下醫用“開關電源”的EMC設計:


  1  正確選用模擬與邏輯有源器件

  電磁干擾發射和電磁敏感度的關鍵是模擬與邏輯有源器件的選用。有源器件可分為調諧器件和基本頻帶器件。調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;基本領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,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射特性。有源器件有兩種電磁發射源:傳導干擾通過電源線、接地線和互連線進行傳輸,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行輻射,并隨頻率的平方而增加。瞬態地電流是傳導干擾和輻射干擾的初始源,減少瞬態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。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。邏輯器件的翻轉時間越短,所占頻譜越寬,為此應當在保證實現功能的前提下,盡可能增加信號的上升/下降時間。

  2  醫用開關電源PCB板的設計

  實踐證明,即使電路原理圖設計正確,印制電路板設計不當,也會對電子設備的可靠性產生不利影響。例如印制板兩條細平行線靠得太近,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,會使產品的性能下降。因此,在設計開關電源的PCB板設計時,應注意采用正確的方法。

  每一個開關電源都有四個電流回路:電源開關交流回路、輸出整流交流回路、輸入信號源電流回路和輸出負載電流回路。

  電源開關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,其頻率遠大于開關基頻,峰值幅度可高達持續輸入/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回路。每個回路的三種主要的元件濾波電容、電源開關或整流器、電感或變壓器應彼此相鄰地進行放置,調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境中。

  建立開關電源PCB板布局的最好設計流程是:放置變壓器、設計開關電源電流回路、設計輸出整流器電流回路、連線到交流電源電路的控制電路。

  3  醫用開關電源印制線的布局

  醫用開關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,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,應將所有通過交流電的印制線設計得盡可能短而寬,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,還應將電源線、地線的走向與電流的方向一致,這樣有助于增強抗噪聲的能力。

  4  醫用開關電源地線的設計

 、 選擇單點接地

  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,接地電路形成的環流又對干擾影響較大,因而需采用單點接地法,使電源工作穩定,減少自激。單點接地,即是將電源開關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的濾波電容的接地腳上。設計中,同一級電路的接地點應盡量靠近,且本級電路的電源濾波電容也應接在該級接地點上。

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  接地電位則隨電流的變化而變化,若接地線過細,會導致電子設備的定時信號電平不穩,抗噪聲性能變壞。因此,每一個大電流的接地端都應盡量采用短而寬的印制線。地線、電源線和信號線的粗細關系為:地線>電源線>信號線。若有可能,接地線的寬度應大于3 mm。

  有時,也可采用大面積銅層或將印制板上未使用的部分與地相連接作為地線。開關電源“DC-DC轉換”的輸入與輸出電路應有共同的參考地,可將兩邊地線分別鋪銅后,再連接在一起,形成共同的地。

 5 共模干擾的產生和防止

  醫用開關電源的功率開關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。器件安裝時需要導熱性能好的絕緣片進行絕緣,這就使器件與PCB板和散熱器之間產生了分布電容。開關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,并把屏蔽片接到直流地上,這樣就割斷了射頻干擾向輸入電網傳播的途徑。

  6 醫用開關電源屏蔽罩的采用

  為了抑制開關電源產生的輻射,消除電磁干擾對其他電子設備的影響,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療器械產品的機殼、地連為一體,就能對電磁場進行有效的屏蔽。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;電磁屏蔽用的導體原則上可以不接地,但不接地的屏蔽導體會增強靜電耦合而產生所謂“負靜電屏蔽”效應,所以仍以接地為好,這樣既電磁屏蔽又能同時發揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點與大地相連,可為信號回路提供穩定的參考電位。因此,系統中的安全保護地線、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。


  以上就如何提高醫用開關電源的電磁兼容性設計晶凱源提出自己的觀點,如有不適之處,還望與大家共同探討,也希望以上內容對大家有一定的幫助。

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