铁氧体磁环在医疗设备脉冲群测试中的应用*

□ 李 丹 □ 王浩林

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

随着电子技术的快速发展,医疗设备电磁兼容问题越来越突出。根据YY 0505—2012《医用电气设备 第1-2部分:安全通用要求 并列标准:电磁兼容 要求和试验》要求,医疗设备电磁兼容测试项目包括辐射骚扰、传导骚扰、辐射传导骚扰抗扰度、静电放电抗扰度、电快速脉冲群抗扰度、浪涌抗扰度、射频传导骚扰抗扰度、工频磁场抗扰度、电压暂降等,其中,电快速脉冲群抗扰度测试是比较重要并且通过率较低的测试项目之一。

目前,解决脉冲群干扰的常用方法是增加滤波器和屏蔽。在电源入口处安装滤波电容,将干扰信号导入大地,阻止干扰进入设备。对于医用设备而言,根据GB 9706.1—2007《医用电气设备 第1部分:安全通用要求》规定,设备漏电流有较高要求。一般设备对地漏电流在正常状态下容许值低于0.5 mA,滤波器中的对地电容会增大设备对地漏电流,使医疗设备很难满足标准要求。另一方面,滤波器的电气参数多样复杂,加大选型难度。可以采用线缆屏蔽法,将电缆屏蔽起来,屏蔽层两端接地。这一方法适用于电缆屏蔽层能够与系统参考地可靠连接,当设备外壳为金属且不接地,或设备有非金属机箱时。线缆屏蔽法对结构调整要求高,且不易实施。

笔者提出一种应用铁氧体磁环抑制电快速脉冲群干扰的方法,以某手术机器人系统脉冲群测试整改为例,验证铁氧体磁环抑制脉冲群干扰的有效性。这一方法操作方便,廉价高效,不需要考虑漏电流、接地问题,对结构没有特殊要求。

2 电快速脉冲群干扰分析

2.1 测试标准

电快速脉冲群测试是一种将由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群耦合到电气和电子设备电源端口、控制端口、信号端口、接地端口的测试。测试的要点是瞬变高辐值、短上升时间、高重复率、低能量。测试的目的是验证电子、电气设备对来自切换瞬态过程的各种类型瞬变骚扰的抗扰度。受试设备的测试部分主要包括供电电源端口、保护接地端口、信号端口、数据端口、控制端口。电快速脉冲群测试参数见表1。

表1 电快速脉冲群测试参数

根据YY 0505—2012,医疗设备电磁抗扰度要求见表2。医疗设备电快速脉冲群测试电压峰值要求对电源线为±2 kV,对输入和输出线为±1 kV。

表2 医疗设备电磁抗扰度要求

2.2 电快速脉冲群干扰波形

依据GB/T 17626.4—2018《电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》,脉冲群发生器输出脉冲波形如图1所示。电快速脉冲群由间隔为300 ms的连续脉冲串构成,每一个脉冲串持续15 ms,由数个无极性的单个脉冲波形组成,单个脉冲的上升沿为5 ns,持续时间为50 ns,重复频率为5 kHz或100 Hz。根据傅立叶变换,对应频谱为5 kHz～100 MHz离散谱线,每根谱线的距离是脉冲的重复频率。对电源端子选择耦合或去耦网络施加干扰,对输入输出信号、数据、控制端口选择专用容性耦合施加干扰。

▲图1 脉冲群发生器输出脉冲波形

2.3 脉冲群干扰途径

脉冲群干扰信号可以产生5 kHz～100 MHz的离散频谱,对于一根载有脉冲群干扰信号的电源线来说,如果长度大于1 m,那么由于电源线长度与信号波长可比,不能以普通传输线来进行考虑。部分干扰信号可以通过传输线进入受试设备,即产生传导发射。部分信号会从线上逸出,成为辐射信号进入受试设备,即产生辐射发射。由此可见,脉冲群干扰实际上是传导和辐射相结合。

3 铁氧体磁环抑制分析

3.1 抑制原理

铁氧体磁环是电子电路中常用的抗干扰元件,对高频噪声有很好的抑制作用。铁氧体磁环等效电路如图2所示。在等效电路中,一个直流电阻串联电感、电容、电阻的并联。直流电阻具有恒定值,而并联的三个元件都可以看作频率的函数,即感抗、容抗、阻抗会随频率的变化而变化。

▲图2 铁氧体磁环等效电路

铁氧体磁环在不同的频率下有不同的阻抗特性,阻抗与频率关系如图3所示。从等效电路中可以看到,当频率低于谐振频率时,铁氧体磁环呈现电感特性;当频率等于谐振频率时,铁氧体磁环是一个纯电阻,此时阻抗最大;当频率高于谐振频率时,铁氧体磁环呈现电容特性。将铁氧体磁环套在导线上,相当于在导线所属电路中串入一个非线性阻抗。从电磁兼容的角度来看,铁氧体磁环改变了电路局部的高频参数,使回路阻抗增大,高频能量损耗相应提高,电磁能转换为热量消耗,从而起到抑制干扰电流的作用。

▲图3 铁氧体磁环阻抗与频率关系

3.2 抑制效果分析

为了分析不同铁氧体磁环对脉冲群的抑制效果,对不同匝数、不同尺寸的铁氧体磁环进行测试对比。测试平台如图4所示。测试设备由脉冲群发生器、开关电源、两个30 Ω电阻串联组成,使用示波器探头获取电阻两端的实时干扰波形。

电阻两端正常额定电压是直流24 V,在开关电源一次侧电源线施加±4 kV电压、5 kHz的频率脉冲群干扰,电阻两端因受到脉冲群信号干扰而产生电压变化。铁氧体磁环设置在开关电源一次进线电源线上。

▲图4 测试平台

选用内径为40 mm,外径为64 mm,高为20 mm的铁氧体磁环,通过改变缠绕匝数测试铁氧体磁环的抑制效果。通过示波器观察负载上干扰信号辐值变化,测试结果如图5所示。

由测试结果可知,在测试环境下,缠绕6匝时铁氧体磁环抑制效果最佳。由于线缆之间分布电容的影响,缠绕的匝数并不是越多越好,随着匝数的增多,分布电容会变大,铁氧体磁环的抑制效果会降低。另一方面,铁氧体磁环的匝数要根据干扰电流频率特点来调整。匝数越多,抑制低频干扰效果越好,抑制高频噪声作用较弱。当干扰信号频带较宽时,可以在电缆上套两个铁氧体磁环,每个铁氧体磁环绕不同的匝数,这样可以同时抑制高频干扰和低频干扰。

除匝数外,铁氧体磁环的外形尺寸对抑制效果有较大影响。选择内径为30 mm,外径为50 mm,高分别为12 mm和18 mm的铁氧体磁环,测试不同高度铁氧体磁环对脉冲群干扰的抑制效果,测试结果如图6所示。

▲图5 匝数对铁氧体磁环抑制效果影响

由测试结果可知,在缠绕相同匝数的条件下,铁氧体磁环的高度越大,抑制效果越好。所以在电快速脉冲群测试中,在空间允许的情况下,应尽量选择体积大的铁氧体磁环。

4 应用案例

自主研发的手术机器人系统结构简图如图7所示,包括机械臂子系统、导航子系统和光学定位子系统。机械臂子系统连接220 V电源,通过互连线向光学定位子系统和导航子系统提供电源,并传输以太网和视频信号。

根据GB/T 17626.4—2018规定,测试设备放置在接地参考平面上方10 cm位置,测试设备与耦合或去耦网络之间的电缆应保持1 m±0.1 m长度。手术机器人系统电快速脉冲群测试现场如图8所示。

▲图6 高度对铁氧体磁环抑制效果影响

▲图7 手术机器人系统结构简图▲图8 手术机器人系统电快速脉冲群测试现场

根据YY 0505—2012,电快速脉冲群测试中,电源线的试验电压为±2 kV,重复频率为 5 kHz。施加脉冲群干扰的顺序为相线对大地,中性线对大地,接地线对大地,相线、中性线、接地线同时对大地。初测试验现象是测试系统出现以太网传输信号中断,上位机软件弹出网络断连提示框。

为了抑制脉冲群对系统的干扰,选用内径为40 mm,外径为64 mm,高为20 mm的铁氧体磁环,将系统的进线电源线同时穿过铁氧体磁环,在铁氧体磁环上均匀缠绕五圈,增强对共模信号的吸收效果。缠绕时,需注意线缆紧贴铁氧体磁环内径,尽量减小两者之间的空间间隙。通过增加铁氧体磁环,系统未出线以太网中断现象,并且顺利通过电快速脉冲群测试。

5 结束语

笔者介绍了医疗设备电快速脉冲群测试方法和铁氧体磁环的抑制原理,详细分析了铁氧体磁环匝数和尺寸对抑制效果的影响,并结合某手术机器人系统整改实例验证了铁氧体磁环抑制脉冲群干扰的可行性和有效性。