电磁兼容抗扰度试验布置验证的研究

张超，苏宗文，李澍，王权，李佳戈，任海萍

中国食品药品检定研究院 医疗器械检定所 光机电室，北京 102629

引言

电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力[1-3]。该定义包含了两部分内容，一是发射，即设备或系统应不对外界造成电磁骚扰；二是抗扰度，即设备或系统应能承受其所在环境内的电磁骚扰。其中，抗扰度试验的基本思路是[4-5]，使用发生器产生骚扰信号，通过特定的路径与被测设备耦合，观察被测设备（Equipment Under Test，EUT）的表现从而判断试验结果是否符合要求。在这个过程中，如果试验布置出现问题，典型例子就是不易察觉的发生器故障或是耦合路径不通，则会导致骚扰信号没有施加到EUT 上，出现“假阴性”的结果，从而对实验室出具的结果造成极大的影响。在有源医疗器械领域，现行有效的电磁兼容通用标准是YY 0505-2012[6]，其中关于抗扰度的试验方法，基本都是参考的GB/T17626 系列标准（等同采用IEC 61000-4 系列标准）。本文从以上系列标准入手，结合标准要求研究试验布置的验证方法，并结合具体实例进行分析。

1 验证方法的讨论及实现

1.1 静电放电抗扰度

静电释放（Electro-Static Discharge，ESD）是在日常生活中经常遇到的现象。静电放电试验模拟的就是人体或其他事物产生的静电释放到EUT 上。GB/T 17626.2-2018[7]相比于前一个版本，主要变化之一就是增加了对ESD布置的验证。除去静电放电形成的辐射场影响外[8]，静电释放的路径主要为ESD 发生器-放电电极-EUT 上的测试点-放电回路电缆/470kΩ 泄放电阻-接地参考平面，示意图，见图1。

图1 静电释放路径示意图

通过研究ESD 发生器的原理[9]，其输出波形参数不易发生变化，最可能失效的是电压未传送至放电电极以及路径中的电缆、电阻的损坏松脱。标准建议主要验证的也正是释放路径是否接通，给出的验证方法是将ESD 发生器设置为高低不同的电压，观察对耦合板空气放电时是否会产生火花，同时高电压时产生的火花应比低电压时大，是一种简单、有效、直观的方法，可在每次试验前进行验证。此试验布置需注意两个“0.1 m”，即绝缘支撑边缘距离水平耦合板边缘应为0.1 m，被测样品距离垂直耦合板0.1 m。

1.2 电快速瞬变脉冲群抗扰度

在电网中如果有感性负载（如接触器或继电器）断开，则会对电网中的其他用电设备产生低能量、高频率、幅值高的快速瞬变脉冲干扰[10]，导致设备产生误动作。GB/T 17626.4-2018[11]中给出了试验使用的脉冲波形的相关参数，见图2。

图2 电快速脉冲群概略图

标准中定义试验布置包括：电快速瞬变脉冲群发生器、耦合去耦网络（Coupled Decoupling Network，CDN）、容性耦合夹和互联线缆，为确保在两次校准之间试验布置的正确性，需要对输出的电快速瞬变脉冲群信号进行验证。验证方法连接示意图，见图3。

图3 电快速脉冲群试验布置验证方法连接示意图

本文使用示波器（型号：MDO4104C，品牌：泰克）和校准器（型号：KW 50，品牌：EMTEST），对实验室的电快速瞬变脉冲群发生器输出的5 kHz 信号进行了验证，CDN 输出端和容性耦合夹输出端验证结果如图4 所示，结果均符合实验室依据标准制定的±5%内控参考值。此试验布置应注意容性耦合夹底部应与接电参考平面接触良好，示波器的输入阻抗应设置为50 Ω 档。

图4 CDN输出端和容性耦合夹输出端验证结果

1.3 浪涌抗扰度

浪涌现象普遍存在于供电系统中，产生的原因可分为外因和内因，外因主要是雷电引发电涌过电压，内因主要是断路器的动作、大负载的接入或移除、大型发电机的启动等[12]。浪涌可能会冲击设备的绝缘层，导致绝缘层击穿，同时累积效应也有可能造成半导体器件出现衰退、寿命缩短等失效现象。GB/T 17626.5-2008[13]和IEC 61000-4-5:2017[14]中均规定除了日常定期校准外，在试验前应对浪涌发生器和CDN 组成的试验布置是否有浪涌脉冲输出进行验证。以笔者实验室的浪涌发生器为例，由于使用频率高，内部电子开关切换频繁，继电器的驱动模块会出现损坏、失效等故障，导致实际无浪涌脉冲输出，但该故障通过仪器外观、指示灯、软件界面均无法显示，只能依靠每次试验前的仪器验证来识别。

本文使用示波器（型号：MDO4104C，品牌：泰克）和高压差分探头（型号：P5200，品牌：泰克），对实验室的浪涌发生器输出的2 kV 浪涌波形进行了验证，连接示意图和结果波形图，见图5～6。在验证时应注意，如果使用的是非隔离示波器，则应使用类似于高压差分探头的隔离装置来保护示波器，其次线-线和线-地间的浪涌脉冲信号均应予以验证。

图5 浪涌试验布置验证方法连接示意图

图6 实测浪涌波形图

1.4 电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度

电压暂降、短时中断主要是由电网、电力设施的故障或负荷突然出现大变化引起的，电压变化则是由于连接到电网的负载连续变化引起的。电网电压出现的这些波动，可能会导致设备误动作或是重要数据的丢失，以激光手术类设备为例，某些设备在高能量激光持续输出时，如遇电压暂降，则有可能会导致输出端激光功率骤降甚至停机重启，严重影响术区的治疗效果。GB/T 17626.11-2008[15]和IEC 61000-4-5:2017[16]中虽然没有规定试验前需要对试验布置进行验证，但是要求在试验过程中应监测EUT 电源电压使其在2%准确度范围内，连接示意图如图7 所示。

本文使用示波器（型号：MDO4104C，品牌：泰克）和高压差分探头（型号：P5200，品牌：泰克），对实验室的电压暂降、电压中断发生器的输出电压进行了监测，得到的波形图，见图8。

图7 电压暂降、短时中断试验中监测电源电压连接示意图

图8 不同程度电压暂降后电压监测波形图

测试时，同样需要使用隔离装置来保护示波器，同时需要注意，有些发生器配套的调压器默认电压初始值为230 V，需要实验室根据EUT 的电压范围来调整初始电压，否则发生器是按照230 V 的相应比例来输出电压。

1.5 射频电磁场辐射抗扰度和工频磁场抗扰度

随着个人电子设备以及无线终端的飞速发展，现实环境中的电磁场、磁场也变得日益复杂，对于医用电气设备，射频电磁场辐射抗扰度试验模拟的是现实环境中80 MHz～2.5 GHz的射频电磁场，工频磁场抗扰度试验模拟则是模拟导体通过电流后在周围形成的磁场，这两项抗扰度试验均是通过空间将骚扰信号耦合到EUT 上。GB/T 17626.3-2016[17]和GB/T 17626.8-2006[18]与前文介绍的标准不同，除常规校准外[19-21]并没有提出对试验布置或仪器验证的要求，只是在试验程序中增加了预确认或预校验设备正确运行的步骤，但没有给出具体的试验方法。参考其他抗扰度试验的验证思路，试验前使用相关探测器直接测量EUT 附近的场强度即可达到预确认的目的。试验布置示意图，见图9～10。

图9 工频磁场抗扰度预确认示意图

图10 射频电磁场辐射抗扰度预确认示意图

2 结论

本文从GB/T 17626 以及IEC 61000-4 系列标准出发，讨论并实现了静电放电、电快速瞬变脉冲群、浪涌以及电压暂降、短时中断和电压变化试验标准中建议的试验布置验证方法，探索了射频电磁场辐射和工频磁场抗扰度试验前预确认的方法，得到了满足试验要求的骚扰信号波形和强度水平，同时对测试时需要注意的事项进行了总结，有利于实验室在日常检测工作中快速、有效地对骚扰信号发生器和耦合路径进行验证，可以有效防止“假阴性”结果的出现，为实验室的质量控制提供保障。此外，通过对比GB/T 17626 和IEC 61000-4 系列标准我们还可以看到，在新版的IEC 61000-4 系列标准中，均不同程度地提出了在试验前对试验布置进行验证或是在试验中对施加到EUT 上的骚扰信号进行监测，也证明了仪器验证的重要性，希望可以引起各实验室的重视。