全自动生化分析仪辐射发射和传导发射实验分析和整改措施探讨

高之鹏，曹相军，张 伟，刘艳灵，何浩星，徐默达，李若萱，刘 振

（河南省医疗器械检验所，郑州 450018）

0 引言

电磁兼容性（electromagnetic compatibility，EMC）[1]是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。EMC是医用电气设备或系统的主要性能之一，EMC问题存在于大多数有源医疗器械产品中。生化分析仪作为临床检验领域不可或缺的设备，为各级医院的检验医学如临床免疫学、临床血液学、临床生化学等不同领域提供检测服务，其主要用于检测人体体液中各种常规的生化指标。市场上常见的生化分析仪有进口和国产2类，进口的生化分析仪相比国产起步早、发展快、功能齐全、技术更成熟。国产的生化分析仪最初依靠光度计、比色计及手工操作等方法，只能完成一些常规的检验。近年来，随着国内技术的迅猛发展，生化分析仪逐渐进入全自动化水平，全自动生化分析仪具有先进的技术，能够避免交叉污染，实现检测技术多样化，提高检测效率、检测准确性及实验室生物安全性。但随着信息化、电子化、网络化的推动，各类电气产品的EMC问题引起越来越多的关注。全自动生化分析仪在做EMC测试试验时，也面临着各种问题，其中辐射发射（radiation emission，RE）和传导发射（conducted emission，CE）试验发射超标现象比较常见。本文依据GB/T 18268.1—2010/IEC 61326-1：2005《测量、控制和实验室用的电设备 电磁兼容性要求 第一部分：通用要求》、GB 4824—2019/CISPR 11：2016《工业、科学和医疗设备射频骚扰特性限制和测量方法》标准进行RE和CE试验，针对试验过程中出现的发射超标问题，通过分析原因，采用有效整改方案，顺利解决上述超标问题，帮助受试设备（equipment under test，EUT）（本文指全自动生化分析仪）顺利通过测试。

1 EUT基本情况及使用中需要注意的EMC问题

1.1 EUT基本情况

本文的EUT为某品牌全自动生化分析仪，主要由分析仪主机、操作部件、外置打印机（选购）等组成，包含加样系统、反应系统、检测系统、清洗系统、控制系统等，其基于光电比色法的原理进行工作，主要用于临床血常规、心肌酶谱、血糖血脂、肝功能、肾功能等常规生化指标的检测。依据GB 4824—2019/CISPR 11：2016标准和该全自动生化分析仪技术要求，按照在电磁环境中使用设备的预期用途，该EUT属于1组B类设备。

1.2 EUT在使用过程中需要注意的EMC问题

首先，在该设备使用之前评估其所处的电磁环境；其次，如果在强辐射源（例如非屏蔽的射频源）附近使用该设备，可能会干扰设备的正常工作，除此之外在该设备附近使用其他医疗设备，该设备在正常工作过程中发出的电磁骚扰可能会造成其附近其他医疗设备出现故障。

2 RE实验分析和整改

2.1 RE实验分析

2.1.1 骚扰限值

该设备RE测试实验场地为3M法半电波暗室，测试频率段为30 MHz～1 GHz。不同频率段对应的准峰值不同：30～230 MHz对应的准峰值为40 dB（μV/m）；230～1 000 MHz对应的准峰值为47 dB（μV/m）。通过实验测量值与限值来判断EUT辐射发射是否符合标准要求[2]。

2.1.2 实验原理和测量

EUT在正常工作时产生的电磁骚扰通过空间向外传递。该设备为台式设备，放置在高度为80 cm的非金属桌子上。在RE测试过程中，天线接收的场强是EUT直射波和反射波的矢量和，同时由于EUT在不同方向上的电磁辐射强度不同，因此需要在测试过程中保持天线中心在1～4 m高度区域变化，在天线水平和垂直2个极化方向上进行测量，转台桌子上布置的EUT随着转台360°旋转，通过以上3点设置，保证在每一个频率点上获得最大骚扰电平。

2.1.3 测试设备

测试设备包含EMI自动测试控制系统、EMI测量接收机、天线及天线控制单元和3M法半电波暗室等。

2.2 RE超标原因分析

根据测试结果（如图1所示）分析，该设备的电磁辐射骚扰不符合GB 4824—2019/CISPR 11：2016规定1组B类设备的电磁辐射骚扰限值，准峰值超标严重。超标的范围主要集中在30～40 MHz、500～700 MHz频率段及249 MHz频率点左右。对造成超标的原因进行以下排查：（1）从样品骚扰源分析，该设备的骚扰源主要有开关电源、晶振、电动机等；（2）从连接线缆分析，检查连接线缆之间是否存在耦合干扰，是否采用有效的屏蔽和滤波方式；（3）从机箱屏蔽分析，检查机箱是否存在有风险的缝隙或孔洞，孔洞的设计是否遵循机壳屏蔽设计原则，另外检查衬垫是否安装及安装是否合理，结构搭接是否采用屏蔽处理[3]；（4）从接地分析，检查是否采用合理的接地方法。

图1 全自动生化分析仪RE测试初扫结果图

2.3 整改措施

2.3.1 开关电源整改

具体整改措施如下：

（1）通过分析发现EUT内部布线混乱，开关电源内的回路面积过大，因此通过优化布线，如输入交流线和输出直流线分开走线，连接各开关的路径尽可能短，合理安排电源器件，避免尖角和狭小的路径[4]等问题。

（2）在开关电源入口安装电源滤波器，抑制开关电源产生的高次谐波，并进行试验验证。

经过以上整改措施，解决了低频率段30～40 MHz RE超标的问题（如图2所示）。

图2 全自动生化分析仪RE第一次整改测试结果图

2.3.2 接地整改

具体整改措施如下：

（1）改善滤波器外壳与固定钣金接地，改善主板和主板固定钣金接地。接地线应根据实际情况尽可能地短，如果接地线过长，会造成回路面积太大，起不到良好效果。整改结束后RE超标问题改善明显。

（2）废液泵电动机外壳接地。废液泵属于关键元器件，电动机在正常工作时产生大量的噪声。需要注意的是该电动机外壳上涂抹有一层油漆，用电动机外壳做接地端时，须除掉外壳上的油漆。

经过上述接地整改，有效解决了500～700 MHz频率段RE超标的问题，在该频率段向外发射的电磁骚扰明显降低（如图3所示）。接地设计是解决电磁骚扰问题最有效、性价比较高的方法之一。

图3 全自动生化分析仪RE第二次整改测试结果图

2.3.3 电磁屏蔽整改

具体整改措施如下：

（1）在废液泵供电线两端添加铁氧体磁环，RE超标问题可得到改善。

（2）改变原有孔洞的位置，远离辐射源。废液泵电动机周围较近的位置存在孔洞，电动机在正常工作时产生的电磁辐射通过孔洞向外扩散，需要注意该孔洞距离辐射源较近，很小的孔洞也可能导致辐射泄漏，致使屏蔽体屏蔽效能降低[5]。

（3）使用弹性且导电性能好的电磁密封衬垫。将孔缝中的非接触点填平，消除孔缝，增强壳体屏蔽效能。

通过上述电磁屏蔽处理，249 MHz频率点的辐射超标问题得到解决，EUT在各个频率段RE数值都有所降低，超标问题最终得到解决（如图4所示）。

图4 全自动生化分析仪RE第三次整改测试结果图

3 CE实验分析和整改

3.1 CE实验分析

3.1.1 骚扰限值

EUT在150 kHz～30 MHz的低压交流电源端口（交流电压≤1 kV，额定功率≤20 kVA）骚扰电压限值如下：频率段150～500 kHz的准峰值为66～56 dB（μV），平均值为56～46 dB（μV），随频率的对数呈线性减小；500 kHz～5 MHz的准峰值为56 dB（μV），平均值为46 dB（μV）；5～30 MHz的准峰值为60 dB（μV），平均值为50 dB（μV）。

3.1.2 实验原理和测量

CE是指电子产品或系统的电压或电流从电源端口或信号端口通过电源线或信号线等其他线缆传输出去，成为其他设备或系统的干扰源的一种电磁现象[6]。EUT的边界与人工电源网络最近的一个平面之间的距离为80 cm，该台式设备的底部或背部应放置在离参考接地平面40 cm的规定距离上，实验在电磁屏蔽室内进行。在测试电源和EUT之间连接一个人工电源网络，人工电源网络为EUT的交流或直流电源测量端口的测量点提供一个射频范围内的特定终端阻抗，并将EUT与其对应的交流或直流电源线上的环境噪声隔离开。

3.1.3 测试设备

测试设备包括电磁干扰（electromagnetic interference，EMI）自动测试控制系统、EMI测量接收机、人工电源网络、电流探头等。

3.2 CE超标原因分析

通过图5分析出该全自动生化分析仪在CE试验测试的过程中，平均值超过GB 4824—2019/CISPR 11：2016标准规定1组B类设备电磁辐射骚扰的限值，但不是特别严重，通过观察得出超出标准限值的频率范围在13～18 MHz。对造成CE超标的原因进行以下排查：检查电源线是否安装滤波器或磁环；滤波器是否安装在合适的位置；滤波线路的走线、地线及输入输出走线是否合理。

图5 全自动生化分析仪CE测试初扫结果图

3.3 整改措施

具体整改措施如下：

（1）首先考虑是电源电磁骚扰超标发射的问题。在电源线入口处添加铁氧体磁环，但改善效果不明显。

（2）加装电源线滤波器（根据实际情况选择滤波器），同时考虑滤波器安装位置。本次整改将滤波器安装在电源线的入口端，同时确保滤波器外壳与机箱搭接良好、接地良好。通过初扫发现CE超标问题得到改善。

（3）换用屏蔽线缆。需要注意的是屏蔽电缆[7]的屏蔽层与机箱采用360°搭接的方式，避免出现“猪尾巴效应”，最后采用在屏蔽线缆上安装磁环的方法，CE超标问题得到解决。

综上，在电源线加装滤波器和更换屏蔽线缆后，EUT在13～18 MHz频率段CE超标的问题得到解决，符合标准限值的要求（如图6所示）。

图6 全自动生化分析仪CE整改测试结果图

4 EUT在研发时需要注意的EMC问题

在产品研发设计时，若选用屏蔽线缆，那么线缆的屏蔽层与金属连接器应做好360°搭接，避免出现“猪尾巴效应”[8]；若选用非屏蔽线缆，则需要进行滤波处理。除此之外，在设计时电缆的位置应尽量放置在电路板的同一侧，线缆分散放置容易导致辐射骚扰发射量增加。对于容易出现问题的骚扰源，如开关电源，需要在其电源端口安装滤波器。在研发设计时，如果构架设计中选用金属壳体，那么各个金属壳体之间的搭接应选择有意搭接，低频率段时金属壳体的屏蔽效能取决于金属壳体的材料，高频率段时的屏蔽效能取决于搭接点之间的间距。当搭接点的间距小于1/2波长时[9]，能起到较好的屏蔽效果。

5 结语

通过接地、电磁屏蔽、添加滤波器等整改措施，可解决全自动生化分析仪CE和RE超标的问题，其中接地是一种性价比较高的整改手段。EMC测试的目的是为了评价产品在实际电磁环境中的EMC性能，通过对全自动生化分析仪CE和RE试验的分析，发现设计者在产品设计初期往往容易忽视EMC问题，最终导致检验成本增加，延长上市周期。因此在产品设计研发初期，设计者要综合考虑EMC问题，如印制电路板接地设计、机械架构屏蔽性设计、最小化线缆间的耦合、保护敏感元器件等，设计者之间要相互协作，用系统的眼光看待EMC问题[10]。