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產(chǎn)品電磁兼容整改標(biāo)準(zhǔn)：中華人民共和國(guó)醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（YY0505-2012）

 

1．產(chǎn)品簡(jiǎn)介

 

某型霧化器的外觀(guān)是臺(tái)式設(shè)備，是醫(yī)用霧化器，主要用于醫(yī)院、診所、家庭等場(chǎng)所，主要功能是治療各種上下呼吸系統(tǒng)疾病。霧化器的使用原理是超聲波霧化片將藥液霧化成微小顆粒，藥物通過(guò)呼吸吸入的方式進(jìn)入呼吸道和肺部沉積，從而達(dá)到無(wú)痛、迅速有效治療的目的。

 

該霧化器的電路結(jié)構(gòu)主要由電源、整流、電機(jī)、霧化片、傳感器幾部分組成，電源是220v的交流電，整流橋?qū)⒔涣髯兂芍绷鳎o霧化器的霧化片、傳感器、電機(jī)幾個(gè)模塊供電。霧化片是一個(gè)超聲波發(fā)生裝置，可以將藥液霧化，而電機(jī)則負(fù)責(zé)將霧化的藥物鼓吹出裝置，送入人體，傳感器是監(jiān)視藥液水位的，當(dāng)水位不足時(shí)，會(huì)反饋給工作電路。

 

 

2．問(wèn)題描述

 

按中華人民共和國(guó)醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（YY-0505-2012）B標(biāo)，采用江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實(shí)驗(yàn)室德國(guó)羅德施瓦茨R&S的人工電源網(wǎng)絡(luò)（ENV216）和EMI接收機(jī)（ESL3）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的頻率范圍為150kHz——30MHz ，在150kHz——5MHz頻段的標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)是47dBμV/m，在5MHz——30MHz頻段的標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)是50 dBμV/m。原始測(cè)試結(jié)果如圖2所示，沒(méi)有通過(guò)測(cè)試。

 

圖2 霧化器CE初測(cè)未通過(guò)，在1.7MHz及其倍頻處超標(biāo)嚴(yán)重

 

原始測(cè)試結(jié)果如圖2所示?？梢悦黠@看到峰值和均值都有超標(biāo)現(xiàn)象，尤其在1.7MHz及其倍頻處超標(biāo)嚴(yán)重，沒(méi)有通過(guò)測(cè)試。

 

3．問(wèn)題診斷與分析

 

霧化器的功能模塊圖如圖3所示:

 

圖3 霧化器模塊圖

 

觀(guān)察圖2所示的初測(cè)結(jié)果可知，超標(biāo)頻段主要在1.7MHZ及其倍頻的頻段上，而該超聲波霧化器的霧化片即以1.7MHz工作，因此，該傳導(dǎo)問(wèn)題主要是由于PCB線(xiàn)路的特征阻抗失配引起的信號(hào)失真。阻抗失配激起霧化片的工作信號(hào)在線(xiàn)纜中多次反射、透射，導(dǎo)致信號(hào)主頻的高次諧波在電路中形成振鈴，導(dǎo)致大量的失真噪聲。通過(guò)含有阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的濾波器可以有效的補(bǔ)償失配阻抗，能大幅度減少把1.7MHz工作信號(hào)的失真。如果抑制了自霧化片工作信號(hào)基頻的噪聲，其倍頻上的噪聲是很容易降低下來(lái)的，同時(shí)又妨礙超聲波霧化器正常工作。此外，150kHz—500kHz頻段也超標(biāo)了，該頻段的噪聲可能主要來(lái)自電源線(xiàn)和其他高頻器件，可采用電容濾波和磁環(huán)濾波。

 

4. 整改措施及理論分析

 

（1）變壓器兩側(cè)加含阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的EMI濾波器

霧化片為主要噪聲源，其問(wèn)題根源是PCB線(xiàn)纜阻抗失配，導(dǎo)致主頻信號(hào)及其高次諧波在電路中震蕩，因此必須補(bǔ)償失配阻抗使得電路平衡，減少信號(hào)失真。同時(shí)，采用EMI濾波器能夠?yàn)V除電路中的EMI噪聲。變壓器是噪聲傳播到LISN的必經(jīng)通道，于是如圖4所示，在變壓器的初級(jí)和次級(jí)均加一個(gè)EMI濾波器，初級(jí)側(cè)的濾波器主要由共模電感、安規(guī)電容、陶瓷電容組成，次級(jí)側(cè)的濾波器由共模電感、陶瓷電容組成。

 

圖4 在變壓器輸出側(cè)加EMI濾波器的措施圖

 

在一個(gè)理想的平衡系統(tǒng)中，沒(méi)有共模噪聲可耦合進(jìn)電路。然而實(shí)際中，小的不平衡可能限制噪聲抑制；這包括源的不平衡、負(fù)載的不平衡和電纜的不平衡以及出現(xiàn)的任何雜散或寄生阻抗的不平衡。當(dāng)頻率升高時(shí)，電抗性不平衡變得更加重要。

 

圖5 負(fù)載阻抗不平衡的等效電路圖

 

如圖5所示為負(fù)載阻抗不平衡的等效電路圖，其中ΔZL表示阻抗不平衡，假設(shè)Z_L遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Z_S，則該電路的共模抑制比將為:

                   (EMI-CE-004-1)

 

由此可知，無(wú)論ΔZ_L多大，越大，噪聲抑制就越強(qiáng)。因此，源阻抗低而負(fù)載阻抗高將產(chǎn)生最大的共模抑制比。據(jù)此在變壓器次級(jí)給設(shè)備加EMI濾波器。但是EMI濾波器為什么采用π型濾波器呢？因?yàn)閷?duì)于最大衰減，高阻抗元件（電感）面對(duì)低阻抗負(fù)載（LISN），而低阻抗濾波器元件（旁路電容）面對(duì)高阻抗源（噪聲源）。其一般結(jié)構(gòu)如圖6所示，兩個(gè)線(xiàn)對(duì)地的電容和共模扼流圈形成了一個(gè)L-C低通濾波器的共模部分。

 

圖6 EMI濾波器的結(jié)構(gòu)

 

在變壓器兩側(cè)加EMI濾波器，對(duì)設(shè)備再次進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

 

（a）初測(cè)結(jié)果

 

 

（b）加濾波器后的結(jié)果

圖7加濾波器的測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖

 

由圖7可知，150kHz—500kHz頻段的噪聲得到了很好的抑制，雖然1.7MHz及其一倍頻段上的的噪聲還沒(méi)有抑制在標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)以下，但是其高倍頻段上的高頻噪聲已經(jīng)得到很好的抑制。如表1所示，是加濾波器前后的數(shù)據(jù)對(duì)比。

 

表1整改前后結(jié)果對(duì)比表

頻點(diǎn)/MHz	1.7460	3.4980	17.5020	19.8940	22.8180
抑制前dBμV/m	60.14	50.36	52.73	70.22	68.94
抑制后dBμV/m	59.51	40.58	29.25	30.18	26.56
下降值dBμV/m	0.63	9.78	23.48	40.04	42.38

 

（2）在PCB板上的電源端口及高頻器件端口處加電容

為了更好地抑制1.7MHz頻段上的噪聲，需要在傳導(dǎo)噪聲傳播的路徑上加更多措施，于是，如圖8所示，在PCB板上的芯片時(shí)鐘信號(hào)管腳、整流橋、開(kāi)關(guān)器件等處對(duì)地并接陶瓷電容，有104、102、101等，這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)的高頻地動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生大量諧波，而電容可以吸收部分諧波。

不可控整流橋?qū)儆诟哳l開(kāi)關(guān)電路，產(chǎn)生的諧波量大，噪聲通過(guò)寄生電容耦合到地和其他線(xiàn)路，主要屬于共模干擾，噪聲電壓與噪聲電流、頻率、線(xiàn)纜長(zhǎng)度之間有如下關(guān)系::

                        

          （EMI-CE-004-2）

 

本文在在整流橋的輸入和輸出兩端均并聯(lián)1nF的電容進(jìn)行濾波，其示意圖如圖9所示。電容值的選定視超標(biāo)噪聲頻段而定，一般有噪聲頻率越高選用的濾波電容越小的關(guān)系，反之，噪聲頻段越低則選用的濾波電容越大。

PCB上有集成運(yùn)算放大器等芯片，連接其信號(hào)輸入輸出、時(shí)鐘信號(hào)的線(xiàn)纜上均有噪聲產(chǎn)生，本文通過(guò)在這些端口對(duì)地并聯(lián)1nF的貼片電容或陶瓷電容噪聲進(jìn)行抑制。

圖8 PCB上的端口及開(kāi)關(guān)器件上并電容

 

圖9 在整流橋直流輸出的地方加電容的示意

 

圖10在前面措施基礎(chǔ)上，于 PCB上的端口及開(kāi)關(guān)器件端口處并電容后的測(cè)試結(jié)果

 

表2在前面措施的基礎(chǔ)上，于 PCB上的端口及開(kāi)關(guān)器件端口處并電容前后的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表

頻點(diǎn)/MHz	1.7460	3.4980	17.5020	19.8940	22.8180
抑制前dBμV/m	60.14	50.36	52.73	70.22	68.94
抑制后dBμV/m	35.16	37.21	27.15	28.98	24.56
下降值dBμV/m	25.98	13.15	25.28	41.24	44.38

 

由表2可知，在 PCB上的端口及開(kāi)關(guān)器件端口處并電容后1.7MHz及其一次倍頻上的噪聲都大幅度降低，150k——30M全頻段的幅值都在標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)以下，但是在1.7MHz處的裕量比較小，需要繼續(xù)優(yōu)化。

 

（3）在電源線(xiàn)及信號(hào)線(xiàn)纜上卡磁環(huán)

如果電源線(xiàn)與信號(hào)線(xiàn)離得太近甚至交叉的話(huà)，根據(jù)麥克斯韋方程，線(xiàn)纜周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生射頻電磁場(chǎng)，從而將高頻噪聲耦合至其他線(xiàn)路，即由于串?dāng)_而引起傳導(dǎo)噪聲。如圖11所示，在電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)上卡磁環(huán)，并注意把線(xiàn)縷好，讓變壓器的初級(jí)與次級(jí)的線(xiàn)纜要保持一定距離，不允許交叉，并將兩級(jí)上所帶的EMI濾波器隔開(kāi)。磁環(huán)的作用等效于一個(gè)耦合電感，能夠吸收高頻噪聲。

 

圖11 在電源線(xiàn)及信號(hào)線(xiàn)纜上卡磁環(huán)

 

磁環(huán)是鐵氧體材料，在電源線(xiàn)或信號(hào)線(xiàn)上卡磁環(huán)，在高頻情況下，如圖12所示，磁環(huán)對(duì)線(xiàn)纜有互感的作用，等效于給該線(xiàn)纜串聯(lián)一個(gè)電感。如果同時(shí)卡住火線(xiàn)和零線(xiàn)，則等效于給該線(xiàn)纜串聯(lián)一個(gè)共模電感，增大線(xiàn)纜的共模源阻抗，以抑制噪聲電流。另外根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，當(dāng)線(xiàn)纜（電源線(xiàn)）不間斷地向外輻射高頻電磁波時(shí)，磁環(huán)中的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，因而產(chǎn)生感應(yīng)電流。此時(shí)若磁環(huán)選用高磁滯系數(shù)和低電阻率的磁材磁質(zhì)，則使產(chǎn)生的高頻能量轉(zhuǎn)換成熱能，從而消耗掉。即可有效地抑制低頻段存在的噪聲。

 

圖12 在電源線(xiàn)或信號(hào)線(xiàn)纜上卡磁環(huán)的等效電路模型，V_CM為傳導(dǎo)噪聲源，磁環(huán)等效成一個(gè)互感為M的共模電感，Z_L是負(fù)載

在前面措施的基礎(chǔ)上，給霧化器的電源線(xiàn)及信號(hào)線(xiàn)上卡磁環(huán)后，繼續(xù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖11所示

 

圖13 在前面措施的基礎(chǔ)上，給霧化器的電源線(xiàn)及信號(hào)線(xiàn)上卡磁環(huán)的測(cè)試結(jié)果，通過(guò)測(cè)試

 

表3在前面措施的基礎(chǔ)上，給霧化器的電源線(xiàn)及信號(hào)線(xiàn)上卡磁環(huán)的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表

頻點(diǎn)/MHz	抑制前dBμV/m	抑制后dBμV/m	下降值dBμV/m	結(jié)論
1.7460	34.16	32.31	2.85	通過(guò)測(cè)試

 

由如13可知，在前面措施的基礎(chǔ)上，給霧化器的電源線(xiàn)及信號(hào)線(xiàn)上卡磁環(huán)的測(cè)試結(jié)果，150k——30M全頻段的幅值都在標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)以下，且有10dBμV/m以上的安全裕量，通過(guò)了CE測(cè)試。

5.最終整改結(jié)果

綜合采取上述措施后，采用江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實(shí)驗(yàn)室德國(guó)羅德施瓦茨R&S的人工電源網(wǎng)絡(luò)（ENV216）和EMI接收機(jī)（ESL3）進(jìn)行測(cè)試結(jié)果如圖11所示，150k——30M全頻段的幅值都在標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)以下，且有10dBμV/m以上的安全裕量，通過(guò)了CE測(cè)試。對(duì)比分析圖2和圖13，可歸納出被測(cè)設(shè)備整改前后的測(cè)試對(duì)比，如表4所示。

表4 整改前后對(duì)比及結(jié)論

整改前超標(biāo)頻段	整改后超標(biāo)頻段	結(jié)論
1.7MHZ及其倍頻的頻段上和150kHz—500kHz頻段上超標(biāo)	無(wú)超標(biāo)頻段	整改通過(guò)