医用电子设备电快速瞬变脉冲群抗扰度测试模型

李传喜 王春龙 吴玉娟

摘要：分析电快速瞬变脉冲干扰产生机理以及电快速瞬变脉冲群抗扰度测试系统的原理，结合医用电子设备的特性，建立医用电子设备电快速瞬变脉冲群抗扰度测试模型，便于电子工程师根据模型有针对性的进行电快速瞬变脉冲群抗扰度设计。

关键词：电快速瞬变;脉冲群;抗扰度

0引言

随着高速电路在医疗领域的广泛应用，结合医疗领域使用人员与使用环境的特殊性，医用电子设备的抗扰度问题越来越引起人们的关注，因此国家制定相应的抗扰度等级要求，通过标准的抗扰度测试系统，验证注入干扰的情况下医用电子设备的抗扰度等级是否满足市场要求，脉冲群抗扰度测试是最常见也是比较难通过的几种抗扰度测试之一。

本文将脉冲群抗扰度测试系统与医用电子设备结合，根据医用电子设备的特点建立脉冲群抗扰度测试模型，通过分析干扰电流在测试模型中的路径为电子工程师提供降低脉冲群抗扰的系统设计方法与思路。

1脉冲群产生机理

一旦打开或关闭一个载流电路的接触点，在接触点之间可能发生电击穿。当接触点靠近并未完全接触时击穿就已经开始，在触点闭合的过程中，击穿一直持续直到接触点闭合。

电网中的感性负载存储的能量与分布电容形成谐振，产生的尖峰高电压不断击穿继电器、接触器的触点间隙形成放电电弧，直到动静触点之间的气隙被拉大到无法击穿。这个过程中就会产生一系列高压脉冲群，即电快速瞬变脉冲群。

2脉冲群抗扰度测试系统

为了使医用电子设备不受脉冲群干扰的影响，国家规定医用电子设备都需要通过脉冲群抗扰度测试，测试时医用电子设备需放置在金属耦合板上，并由脉冲群干扰发生器产生干扰通过电源线或一定长度的输入输出线缆注入到设备中，干扰通过设备与金属耦合板之间的等效电容回流到脉冲群干扰发生器。本文以L/N/PE线缆注入干扰的情况为例讨论。通常脉冲群干扰发生器由高压源产生的直流高压通过充电、整形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隔直电容输出到待测设备的L/N/PE线缆上，最终通过金属耦合板回流到高压源。故可以把脉冲群干扰发生器以及金属耦合板等效为如图1的等效模型。

3医用电子设备脉冲群抗扰度测试模型

3.1医用电子设备的特点

医用电子设备通常具有患者电缆长、产品类型多样化、敏感电路抗扰度门限低等特点。患者电缆通常是一个系统最长的部分，作为等效天线，会拾取和辐射噪声，比如心电图机监护仪都有较长的患者电缆。另外医用电子设备根据应用场景的需求，产品类型多样，比如网电源与浮地结合的设备、干电池供电设备、具有保护接地的设备、具有内部钣金的设备。

3.2脉冲群抗扰度测试模型

结合医用电子设备的特点与脉冲群抗扰度测试系统的原理，脉冲群抗扰度测试模型等效如图2：

C1～C3为脉冲群发生器耦合电容、L1为设备接地线等效电感、C4、C5、C6为线路板与设备内部钣金的等效电容、C7为浮地电路两端的等效电容、C8、C9为线缆与金属耦合板之间的等效电容、C10为设备内部钣金与金属耦合板之间的等效电容。

无额外接地线设备使用该模型时L1可认为断路。

无内部钣金设备使用该模型时，去掉C10、同时减小C4、C5、C6容值。

不具有患者电缆及输入输出线缆的设备使用模型时，去掉C8、C9。

不具有浮地应用的设备使用模型时，可认为C7短路。

C1-C3电容容值为脉冲群抗扰度设备内部电容容值已固定，浮地设备可根据变压器、光耦的等效电容及跨接电容的容值确定C7数值，C8、C9可按照导线与金属平面之间的电容计算公式计算等效电容，其他电容可根据两金属平面之间的电容计算公式计算等效电容。

4医用电子设备脉冲群抗扰度测试模型的应用

控制干扰电流流向，避免流经不可预期的路径，这是脉冲群抗扰度滤波设计的核心思想。根据医用电子设备脉冲群抗扰度测试模型分析可知干扰电流主要回流路径如图3所示：

脉冲群抗扰度设计时，应尽量引导主要干扰能量首先按照红色路径回流，其次按照粉色路径回流，避免按照蓝色路径回流，干扰信号通过粉色路径回流时，要根据敏感设备与回流路径的距离判断是否有不利影响

根据测试模型可得设计思路如下：

1）当设备具有良好接地且直接与金属耦合板连接时，尽量使干扰通过地线滤除，这时应该让地线尽可能短一些，目的是降低等效电感L1，L1降低根据公式R=2xfL可知高频下感抗值就会变小，接地线为干扰电流提供低阻通路，这样干扰就在一开始从地线滤除掉，即图3红色线路部分，不会经过后边的电路，降低了对敏感电路的干扰。

2）如果设备有内部金属钣金，则C10就会存在，它属于金属钣金与金属耦合板之间的等效電容，当等效电容较大时，由公式R=1/（2xfC）可知，容抗会变小，那么干扰就会从这条通路流向金属耦合板，返回到干扰源头，避免经过敏感电路。

3）当设备没有内部金属钣金时，图3中的C10就不存在了，C4、C5、C6直接与金属耦合板相连，此时可以在AC/DC之后C7之前的电路上串入共模电感，增大线路上的阻抗，使干扰尽量在红色路径上衰减，使干扰尽量少的通过数字电路或模拟电路。

4）若设备有患者电缆，比如血氧线缆、心电导联线电缆。它会拾取空间的辐射干扰电流，同时与金属耦合板之间会有较大的等效电容存在，如图中的C8、C9。尤其当电缆较长时.C8、C9的等效电容值就会增大，那么容抗R就会很小，成为干扰电流的低阻抗回路，那么干扰必定经过了中间的模拟或数字电路，干扰路径为图3中蓝色部分，设备就会受到影响。

根据医用电子设备脉冲群抗扰度测试模型分析，电子工程师进行脉冲群抗扰度设计时，需从干扰路径分析.尽量在敏感电路之前滤除干扰。可通过电容滤波引导干扰电流的回流，串联电感加大干扰电流的衰减.如无法避免其流过中间敏感电路.则需要设计人员增加敏感电流的自身抗扰度门限，做好敏感电路的接地设计。

5结束语

本文结合医用电子设备的自身特点与电快速瞬变脉冲群测试环境.提出了医用电子设备电快速瞬变脉冲群抗扰度测试模型，该模型是一个整体的测试模型，简单直观，可为医用电子设备的电快速瞬变脉冲群抗扰度设计提供整体设计思路.降低设计成本与设计时间。