医用电气设备电磁兼容设计中接地方法研究

2016-06-02王晓东蔡虎唐振红陕西省医疗器械检测中心陕西西安710075

中国科技纵横 2016年2期

王晓东蔡虎唐振红(陕西省医疗器械检测中心,陕西西安 710075)

医用电气设备电磁兼容设计中接地方法研究

王晓东蔡虎唐振红
(陕西省医疗器械检测中心,陕西西安 710075)

【摘要】随着科学技术突飞猛进的发展,电气,电子设备广泛的应用于各个领域,设备电磁环境越来越复杂,如何在复杂电磁环境下有效保证设备能够正常运转,并不对其他设备产生影响其性能的电磁干扰的能力,即设备电磁兼容性,是当前重要的研究课题。本文主要研究了医用电气设备的电磁兼容设计中关于接地的一些常用方法,文中详细介绍了安全接地,单点接地,多点接地,混合接地的结构以及适用情况,并针对可能出现的干扰给出了有效的整改对策,通过研究希望能够对实际应用起到一定的指导和参考作用。

【关键词】电磁兼容接地方法干扰

【Abstract】This paper mainly studied the mommonly used grounding methed in electromagnetic compatibility design of medical electrical equipment.In this paper, safety ground, single-point ground, multi-point ground and mix-ground were introduced in detail, and put forward effective corrective measures to solve the possible interference.By studying, the research result was expected to play a guiding and reference role in practical application.

【Keywords】Electromagnetic Compatibility;Grounding Methed;Interference

1 引言

近年来随着科学技术突飞猛进发展，电气，电子设备广泛的应用于各个领域，医用电气设备的电磁兼容性尤其重要，因为设备的安全性和稳定性直接关系操作人员和患者的生命安全，所以设备在设计的过程中必须考虑电磁兼容的问题。屏蔽，滤波和接地是电气设备电磁兼容设计的三种基本技术，本文主要针对医用设备电磁兼容设计中接地方法进行研究。

2 接地的分类

接地通常意义是指设备或者系统与大地保持良好的电连接，参考点电位保持始终为零。但是从广义讲，接地也包括连接到一个作为电路中各信号的电平参考点或者参考面的导体上[1]。根据不同的接地功能和不同的接地目的，设计中会采用不同的接地的方法。根据功能将接地分为两大类:一类称为安全接地，主要为了保证设备的电器安全；另一类称为信号接地，主要为保证电路可以正常工作[2]。

图1 安全接地结构框图

图2 浮地结构框图

图3 单点接地的结构框图

2.1 安全接地

安全接地就是利用低阻抗的接地导体将设备的外壳与大地连接，以此来保证人员和设备安全。图1为常用电气设备安全接地的框架结构图，其中Rg代表绝缘电阻，RH代表人体电阻。

设备在正常使用状态下外壳和带电部分绝缘性良好，此时相当于带电部分和外壳之间有一大电阻Rg，所以即使外壳有较高的感应电压，流过人体RH的电流也很小。但是在实际应用中会因为带电部分绝缘层破损、老化，以及带电部分与外壳之间的灰尘、潮湿、浸水等原因致使设备外壳漏电，此时电阻Rg变小，流过人体电阻RH的电流变大，而对人体造成伤害的主要是流经人体的电流[3]。所以为了保证电气安全，将设备外壳与接地低阻抗良导体连接，当外壳发生漏电时大部分电流会经过接地导体流入大地，从而起到保护人身安全的作用。

2.2 信号接地

信号接地就是指设备内部电路中各种电压信号的电位参考点，即地线电位为系统中的所有电路提供了一个电位基准，所以在实际设备的电路中信号地是连在一起的，以此保证内部所有电路具有相同的参考电位。信号接地有三种基本方法:浮地、单点接地、和多点接地，以及单点接地和多点接地结合使用的混合接地方法[4]。上述方法不仅适用于设备内部电路及印制电路板，同样适用于多台电气设备构成的系统。

图4 并联单点接地方式结构图

图5 串联单点接地方式结构图

图6 多点接地方式结构框图

图7 混合接地方式结构框图

2.2.1 浮地

浮地就是设备电路的地与公共地之间无导体连接，如图2所示为浮地接地方法的结构框图:

浮地主要应用于便携式设备，其优点就是电路不受大地的电性能影响，抗干扰能力较强，其次通过光耦或者变压器可实现不同电位的电路相互之间的配合。但是也正是因为其不与大地连接，导致容易产生静电积累，这也是浮地方法最大的缺点。如果电荷得不到及时的释放，积累到一定程度，设备和地之间的电压就会引起静电放电，成为破坏性较强的干扰源。在实际应用中有效解决这个问题的最好办法就是在浮地和公共地之间跨接阻值较大的电阻，以此达到及时释放电荷的目的。

2.2.2 单点接地

单点接地是相对较为简单的一种接地方式，就是将设备电路中所有需要接地的点都接到公共地的同一点。如若是由多台设备组成的系统，且各设备都是独立地线，则将系统组成设备的接地线连接到系统唯一参考接地点即可。单点接地结构简单，易于实现，所以在现实中得到普遍利用。图3所示为单点接地的结构框图。

如图3所示单点接地中所有地线都接到同一点，所以没有形成地线环路，也就不存在地线环路干扰的问题，这是单点接地方法最大的优点。当然单点接地在使用中也有其局限性，当设备工作频率较大或者地线长度与波长可比时，地线就会向外辐射电磁波产生电磁干扰，所以单点接地结构一般应用于频率小于1MHz或者地线长度小于λ/20的场合，这样就实现了在无地线电磁辐射干扰的条件下发挥单点接地无地回路干扰的优势[5]。

单点接地结构根据其连线方式可进一步细分为串联单点接地和并联单点接地方式，图4所示为并联单点接地方式，图5所示为串联单点接地方式。

如4所示并联式单点接地方式中设备内部电路或者系统组成单元的地电位只受本部分的接地阻抗和低电流影响，相互之间不会造成干扰。但是这种并联式单点接地方式势必会造成电路中会有很多接地线，这样不仅使内部电路复杂化，而且各地线之间的电感耦合及分布电容耦合也会在高频条件下产生较强的干扰，因此在实际应用中较少采用这种方式。图5所示为串联单点接地方式结构图，这种接地方式最大优点就是结构简单比较容易实现，将所有地线用一根导线串接即可。而恰恰就是因为共用一根地线所以各接地点电压会受到其他电路单元的影响。如图中接地点A，B，C的电压分别为:

由上式可以看出各电路单元的接地点电压并不相同，存在公共地线阻抗带来的耦合干扰问题。如果各电路单元功率相差较大，这种相互干扰的影响会非常明显。所以从抑制干扰的角度考虑，串联单点接地方式不如并联接地方式。但就是因为其结构简单，现实中还应用较为广泛，为了能够在一定程度上解决公共阻抗干扰的问题，一般会将高电压电路单元放在靠近接地点位置，尽量减小对其它电路单元的影响。

图8 电容混合接地方式

2.2.3 多点接地

多点接地就是将各电路单元的接地点直接连接到最近的公共地线上，因存在多个不同的接地点，所以称为多点接地方式。图6所示为多点接地的结构框图。

由图6可见相比单点接地方式多点接地的地线相对较短，因而比较适合应用于高频环境下，实践中频率大于10MHz时或当频率大于1MHz小于10MHz而地线长度大于λ/20可采多点接地结构。但多点接地结构会形成各种地线回路，当设备所处环境中有较强的交变电磁场时，就会在地线回路中产生感应电流从而引入地回路干扰；其次多点接地对地线的要求也比较高，任何接地点上的地线腐蚀或者松动都会导致接地阻抗增大影响接地效果。实际应用中为了有效的抑制地回路干扰一方面尽量使地线相互靠近减小环路面积；另一方面就是使用宽金属板作为接地导体减小导体电感或者在其表面镀银、锡以减小导体电阻从而达到消弱地线回路干扰影响的目的。

2.2.4 混合接地

随着电子技术发展，电器设备的电路结构也越来越复杂，同一大型设备往往既有模拟电路又有数字电路，既有产生强电磁辐射的模块，又有对电磁干扰敏感的模块，所以应该根据电路的不同性质采用不同的接地方式。如图7所示为混合接地的结构框图。

由图可见混合接地根据实际结合使用了单点接地和多点接地方式，对高频电路及接地线较长的电路使用多点接地，其它则使用单点接地。对于宽频电器系统，电路中同时包含有高频信号和低频信号，为了能够同时利用单点接地和多点接地的优势，电路设计中往往会利用电容或者电感的频率特性来实现，如图8所示在该电路中对于高频信号电容相当于短路，所以采用的是多点接地，而对于低频信号电容相当于开路，即采用的是单点接地[6]。