家用医疗雾化产品辐射发射整改案例

冯云，王月英（通信作者），吴少帅，李挥

1 河北华烨冀科信息技术有限责任公司 （河北石家庄 050081）；2 河北省医疗器械与药品包装材料检验研究院 （河北石家庄 050061）

医用电气设备的功能性是设计人员较为重视的指标，但是电磁兼容（electromagnetic compatibility，EMC）设计问题易被忽视，且较多的企业没有系统性地进行产品的EMC设计，致使无法从根本上全面地提高产品的EMC质量水平。辐射发射测试项目为EMC检测中最为重要也是较难通过的测试项目，是测试医用电气设备在正常工作时通过空间辐射频率在30 MHz至1 GHz的电磁波是否满足标准要求。本研究针对某家用医疗雾化产品未通过辐射发射项目进行定位分析，制定切实可行的优化方案，明确了干扰源，并采取发射路径处理和干扰源处理两种整改方案；通过设计整改方案，从产品的设计阶段解决EMC的问题，且将EMC设计贯穿于产品开发的全过程，提高医用电气设备EMC通过率。

1 产品测试背景

某家用医疗雾化产品在进行国内注册检验EMC测试中，辐射发射项目按GB4824-2013分类为B类[1-3]的测试结果严重超标，见图1。

图1 未通过测试结果

2 产品工作原理

该产品由电源适配器和主机组成，适配器内置AC/DC转换电路，输出直流5 V为主机供电并分为两路，一路将5 V转3.3 V为单片机系统供电，另一路将5 V转换为12 V为雾化模块提供驱动电压。MCU控制开关机和雾化功能的开启或关闭，该产品系统组成见图2。

图2 产品系统组成

3 原因分析

解决EMC问题产生的3个要素，即发射源、发射路径、敏感装置[4]。辐射发射测试暗室内测试天线为敏感装置，且已经固定无法改变，要解决超标问题就要找到发射源和发射路径，分析频谱超标频段特性。此超标频段集中在90～200 MHz，且属于包络超标，频段较高通常说明共模发射干扰占主要因素，连续的包络波形通常由模拟干扰源产生。分析设备的原理框图可知，设备使用了DC/DC电源转换模块和AC/DC电源适配器，且设备适配器输出线长1.5 m。根据波长频率计算公式，1.5 m等效200 MHz以上干扰信号的有效发射天线，由于1/4波长即可达到发射的最大强度，所以对于1.5 m的线缆，50 MHz以上的干扰信号均可以借助其发射到空间，因此，引起本设备超标的主要发射源可能为DC/DC电源转换模块或AC/DC电源适配，发射路径应为适配器输出线缆。

4 验证过程

明确干扰源来源，需验证干扰来自AC/DC电源适配器或是来自DC/DC电源转换模块。首先在适配器输出线近适配器端加磁环测试，测试结果见图3，整体下降但未能通过；然后在适配器输出线上近主机端加磁环测试，测试结果见图4，超标频率整体下降可通过；在近干扰源头增加铁氧体磁环，降低干扰传输路径长度，通过吸收的方式降低干扰源向空间发射的能量强度，根据图3和图4对比可知在图4整体频段下降明显，可确认干扰源为主机内部的DC/DC转换器。

图3 适配器输出线近适配器端加磁环测试结果

由于电路中有多个电压转换芯片，使用频谱仪扫描定位发现其中一个DC/DC升压芯片附近产生的干扰与超标频段基本相对应。该芯片为采用开关工作方式，芯片内部有高速1.2 MHz开关电路，查看该芯片的PCB布局，发现芯片PCB未按照芯片手册中要求布线，见图5～6。图6中实际地回路走线过长、有穿孔，且环路面积过大，差模干扰转换的共模干扰电流过大，通过适配器输出线发射出去[5-7]。

图4 适配器输出线上近主机端加磁环测试结果

图5 芯片手册建议布局

图6 电路板实际布局

5 整改措施

由共模辐射等效公式 E=4π×10-7（fLI）sinθ/r可知，发射的强度取决发射源的共模电流强度、等效天线的长度、发射源工作频率及发射源距场强测量点的距离。由于天线位置固定，DC/DC转换芯片工作频率固定，可从降低等效天线长度、降低共模电流强度等方面进行整改[8-10]。

方案1：发射路径处理，最简单直接的整改方法不需要更改适配器和主机，选择适配器输出线近主机端带磁环的适配器，或在适配器输出线近主机端线上缠绕磁环两圈，测试结果见图4。

方案2：干扰源处理，更改PCB板，优化升压芯片的地回路（通过优化差模环路的方式，降低共模电流强度）；基于结构尺寸限制2层PCB板的布线、地回路已经达到最好，将PCB板更改为4层板，开关芯片地回流路径依据芯片手册布局；地回路大大减小，测试结果见图7，测试结果通过且余量较大。

图7 方案2整改测试结果

上述两种方案都可以解决辐射发射超标的问题，但各有利弊，方案1整改效率高，但成本增加较大，方案2成本增加较小，但需要投入时间重新设计。

6 小结

通过对某家用医疗雾化产品进行辐射发射项目测试，分析并验证问题的产生，定位发射路径和干扰源，综合产品成本和更改时间成本，提出两种解决方案。但两种方案各有优劣，因此，建议厂家只有从产品的设计初期引入EMC设计思想，且EMC设计应该贯穿于产品开发的全过程，才能避免整改成本，节约整改时间，确保产品通过EMC测试。