医疗电子产品的电源系统电磁优化设计

林玉汉

惠东县第二人民医院医学工程部 (广东惠州 516321)

20世纪以来，世界各国都在研究如何解决电磁辐射和电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)的问题，包括EMI问题(辐射强度的预估、定位辐射噪声源、抑制辐射噪声等)及减少周围环境对医疗电子设备的EMI。如果医疗设备受到EMI，则设备无法正常工作，医师就有可能误诊，威胁患者的生命安全。研究和解决电磁辐射和EMI问题不仅能够降低医疗事故发生率，还能为患者和从事医疗服务的人员提供一个安全稳定的治疗环境。医疗电子行业中医疗设备非常复杂，因为在医疗电子产品中有大量的电子芯片。目前，电磁兼容(EMC)是检验医疗设备性能的重要指标之一，研究EMC问题也是今后医疗电子产品的发展趋势。通过对医疗电子产品的电源系统进行优化设计，能够增强产品的抗干扰能力，提高产品的安全性能，更好地为医疗患者和工作者服务，促进我国医疗卫生事业的不断发展和进步。

1 EMC

EMC是一门交叉型的学科，且其综合性非常强，涵盖了物理学的电磁场理论知识、电子电力技术和材料等技术。EMC指的是当设备在电磁环境中运行时，周围的电磁环境不能干扰其正常的工作，设备的电磁发射一般不会影响周围设备的运行。EMC包括EMI和电磁敏感性(electromagnetic sensitivity，EMS)两个主要内容[1]，EMS指的是在非常复杂的电磁环境中设备的工作能力，EMI则是当系统在工作时没有干扰到周围的其他设备。产品想要满足EMC必须要满足上述两个方面的条件。我国大部分医疗设备的EMC测试中都包含EMI和EMS两个方面，EMI又包含传导发射、辐射发射、谐波电流发射和电压波动闪烁[2]。EMS的测试项目有浪涌、静电放电、电压跌落、辐射抗扰度和传导抗扰度等。耦合路径、EMI源以及敏感设备(接收器)被称为是EMI的三要素，通常，通过分析这3个要素，EMI问题都能够找到解决的办法。

2 电源系统抗干扰器件

2.1 滤波器

在设备运行过程中，网络经常会发生继电器的通断切换及负载变化等问题，这些变化都会对设备的正常工作和运行造成一定的影响。根据EMC设计的需求，相关设计人员会在设备的电源入口位置设计好合适的滤波器，好的滤波器能够防止内部产生的电磁波向外扩散，也能够抑制高频电流。但需要注意是，在设计滤波器时必须遵循阻抗不匹配的原则，并且滤波器的频段要尽量宽泛[3]，在实际设计和工作过程中，阻抗的测量非常难实现，因此设计人员需要进行对比试验，以此来选择滤波器。

2.2 抗敏电压

对电源端口设计的主要目的是防止浪涌的干扰。在电源端口进行抗浪涌干扰设计时，第一步需要加入耦合网络，其作用是为了将规定的浪涌加在被测试的电缆上，从而有效测试相关设备对浪涌的抗干扰能力。在控制浪涌时，我们主要采用的是放电管、二极管及抗敏电压等抗干扰性能比较强的器件，因为大部分抗敏电压的电容都比较大，因此，一般在一些高频场合中都不能使用[4]。

3 电源系统的抗干扰器件的优化设计

3.1 导电衬塑

在医疗电子产品中，导电衬垫是一种非常常见的材料，其主要功能有：(1)降低电子产品接头处的电阻值，增加两个接触面间的搭接性；(2)保障导电的连续性，填和金属外壳之间的空隙，避免设备或者产品内部的电磁信号传导到周围环境中，造成电磁污染。材料的导电性能如何、塑性的好坏及抗腐蚀性能是医疗电子产品的导电衬垫需要重点考虑的，由于导电布、金属丝网及导电橡胶能够满足以上要求[3]，因此比较常用，但是在设计时一定要注意清洁工作，如果会接触设备表面的喷漆，则需要先将喷漆用砂纸打磨干净。

3.2 铁氧体磁环的选择和安装

通常，医疗电子产品的电源线没有屏蔽层，当设备内部的高频共模电流流进电源线时，就会成为辐射噪声发射的天线。为了抑制辐射噪声，需要在电源线上夹套磁环。磁环是一种环形的导磁体，在应用时需要注意在标准的暗室环境内进行相关测试。在应用铁氧体磁环时一定要注意防止漏磁，尽量安装在一些噪声源位置，为了避免发生漏磁现象，需要将磁环包紧电源线。在安装磁环时第一步需要做的是估计辐射的频率，若是辐射发生的频率较低，则可以选择质量较好的铁氧体磁环，如果辐射发生的频率较高，则可以采用质量较为普通的铁氧体磁环。

3.3 电压暂降、跌落和短时中断的抗扰度优化

在实际应用过程中，对于一些有开关电源的医疗电子产品通常会对电压的暂降、跌落和短时中断的测试有着非常好的抗干扰性能。当电压发生变化时，其变化尤为敏感，主要表现为电动机短时间内停止运转，产品的指示灯或者显示屏出现异常等。一些使用线性电源的产品，主要利用电解电容的储能功能为芯片安装电解电容，当产品的功耗较低时可以在入口处加装电解电容。

3.4 PCB系统级电源的EMC优化

通常，我们可以将PCB上的电源系统优化分为两大类，第一类是PCB电源的全局优化电路，也被称为系统级电源的EMC优化；第二类是针对开关电源的优化设计。市场上大部分的医疗电子产品对于开关电源的优化设计都有缺点，如一般都会将开关电源模块转换的直流电直接为PCB的所有器件和芯片供电，开关电源的输出直流中所含有的高频波纹利用的电容不能够满足其要求，因此，相关工作人员和设计人员还需加强探索和研究，可以探索用电容器配合电感形成滤波结构来减小高频噪声，滤除高频的波纹。

4 结语

尽管我国医疗电子产品已经取得了很大的发展和进步，但是就我国现阶段的发展情况而言，还存在许多问题需要进一步地研究和解决。本研究主要探讨了医疗电子产品的EMC性，对电源系统优化设计的材料和器材做了一些论述，我们认为，通过合理的使用和设计这些材料和电子器材，能够大幅度增加电源系统的抗干扰能力，从而减少电磁辐射，为医疗卫生事业的发展提供有利的条件。