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医疗电子产品的电源系统电磁优化设计

时间:2020-02-17 22:12来源:未知 作者:admin 点击:
〔摘 要〕电子芯片的运行速度非常快,但是存在电磁辐射问题。因此,为了节省能源,在医疗电子产品中使用了开关电源,但是这些开关电源也会产生一定的电磁干扰,这些电磁干扰或者电磁辐射都会对患者造成 不利影响。现就医疗电子产品电源系统的电磁优化设计展
  〔摘 要〕电子芯片的运行速度非常快,但是存在电磁辐射问题。因此,为了节省能源,在医疗电子产品中使用了开关电源,但是这些开关电源也会产生一定的电磁干扰,这些电磁干扰或者电磁辐射都会对患者造成   不利影响。现就医疗电子产品电源系统的电磁优化设计展开分析和探究。
  
  〔关键词〕医疗电子产品; 电源系统; 电磁; 优化设计
  
  20 世纪以来,世界各国都在研究如何解决电磁辐射和电磁干扰 ( electromagnetic interference, EMI )  的问题, 包括 EMI 问题 ( 辐射强度的预估、定位辐射噪声源、抑制辐射噪声等)  及减少周围环境对医疗电子设备的 EMI。如果医疗设备受到 EMI,则设备无法正常工作,医师就有可能误诊,威胁患者的生命安全。研究和解决电磁辐射和 EMI 问题不仅能够降低医疗事故发生率,还能为患者和从事医疗服务的人员  提供一个安全稳定的治疗环境。医疗电子行业中医疗设备非  常复杂,因为在医疗电子产品中有大量的电子芯片。目前, 电磁兼容 ( EMC)  是检验医疗设备性能的重要指标之一,研究 EMC 问题也是今后医疗电子产品的发展趋势。通过对医疗电子产品的电源系统进行优化设计,能够增强产品的抗干扰  能力,提高产品的安全性能,更好地为医疗患者和工作者服  务,促进我国医疗卫生事业的不断发展和进步。
  
  1 EMC
  
  EMC 是一门交叉型的学科,且其综合性非常强,涵盖了 物理学的电磁场理论知识、电子电力技术和材料等技术。EMC  指的是当设备在电磁环境中运行时,周围的电磁环境不能干扰其正常的工作,设备的电磁发射一般不会影响周围设备的运行。EMC 包括 EMI 和电磁敏感性 ( electromagnetic sen- sitivity,EMS)  两个主要内容[1],EMS 指的是在非常复杂的电磁环境中设备的工作能力,EMI 则是当系统在工作时没有干扰到周围的其他设备。产品想要满足 EMC 必须要满足上述两个方面的条件。我国大部分医疗设备的 EMC 测试中都包含EMI 和 EMS 两个方面,EMI 又包含传导发射、辐射发射、谐波电流发射和电压波动闪烁[2]。EMS 的测试项目有浪涌、静电放电、电压跌落、辐射抗扰度和传导抗扰度等。耦合路径、EMI 源以及敏感设备 ( 接收器)  被称为是 EMI 的三要素,通常,通过分析这 3 个要素,EMI 问题都能够找到解决的办法。
  
  2 电源系统抗干扰器件
  
  2. 1 滤波器
  
  在设备运行过程中,网络经常会发生继电器的通断切换及负载变化等问题,这些变化都会对设备的正常工作和运行造成一定的影响。根据 EMC 设计的需求,相关设计人员会在设备的电源入口位置设计好合适的滤波器,好的滤波器能够防止内部产生的电磁波向外扩散,也能够抑制高频电流。但需要注意是,在设计滤波器时必须遵循阻抗不匹配的原则, 并且滤波器的频段要尽量宽泛[3],在实际设计和工作过程中,阻抗的测量非常难实现,因此设计人员需要进行对比试验,以此来选择滤波器。
  
  2.2 抗敏电压
  
  对电源端口设计的主要目的是防止浪涌的干扰。在电源 端口进行抗浪涌干扰设计时,第一步需要加入耦合网络,其 作用是为了将规定的浪涌加在被测试的电缆上,从而有效测 试相关设备对浪涌的抗干扰能力。在控制浪涌时,我们主要 采用的是放电管、二极管及抗敏电压等抗干扰性能比较强的 器件,因为大部分抗敏电压的电容都比较大,因此,一般在 一些高频场合中都不能使用[4]。
  
  3 电源系统的抗干扰器件的优化设计
  
  3.1 导电衬塑
  
  在医疗电子产品中,导电衬垫是一种非常常见的材料,其 主要功能有: ( 1) 降低电子产品接头处的电阻值,增加两个接触面间的搭接性; ( 2) 保障导电的连续性,填和金属外壳之间的空隙,避免设备或者产品内部的电磁信号传导到周围环 境中,造成电磁污染。材料的导电性能如何、塑性的好坏及抗 腐蚀性能是医疗电子产品的导电衬垫需要重点考虑的,由于导 电布、金属丝网及导电橡胶能够满足以上要求[3],因此比较常 用,但是在设计时一定要注意清洁工作,如果会接触设备表面 的喷漆,则需要先将喷漆用砂纸打磨干净。
  
  3. 2 铁氧体磁环的选择和安装
  
  通常,医疗电子产品的电源线没有屏蔽层,当设备内部的高频共模电流流进电源线时,就会成为辐射噪声发射的天线。为了抑制辐射噪声,需要在电源线上夹套磁环。磁环是一种环形的导磁体,在应用时需要注意在标准的暗室环境内进行相关测试。在应用铁氧体磁环时一定要注意防止漏磁, 尽量安装在一些噪声源位置,为了避免发生漏磁现象,需要将磁环包紧电源线。在安装磁环时第一步需要做的是估计辐射的频率,若是辐射发生的频率较低,则可以选择质量较好的铁氧体磁环,如果辐射发生的频率较高,则可以采用质量较为普通的铁氧体磁环。
  
  3. 3 电压暂降、跌落和短时中断的抗扰度优化
  
  在实际应用过程中,对于一些有开关电源的医疗电子产 品通常会对电压的暂降、跌落和短时中断的测试有着非常好 的抗干扰性能。当电压发生变化时,其变化尤为敏感,主要 表现为电动机短时间内停止运转,产品的指示灯或者显示屏 出现异常等。一些使用线性电源的产品,主要利用电解电容 的储能功能为芯片安装电解电容,当产品的功耗较低时可以 在入口处加装电解电容。
  
  3. 4 PCB 系统级电源的 EMC 优化
  
  通常,我们可以将 PCB 上的电源系统优化分为两大类,第一类是 PCB 电源的全局优化电路,也被称为系统级电源的EMC 优化; 第二类是针对开关电源的优化设计。市场上大部分的医疗电子产品对于开关电源的优化设计都有缺点,如一 般都会将开关电源模块转换的直流电直接为 PCB 的所有器件和芯片供电,开关电源的输出直流中所含有的高频波纹利用 的电容不能够满足其要求,因此,相关工作人员和设计人员 还需加强探索和研究,可以探索用电容器配合电感形成滤波 结构来减小高频噪声,滤除高频的波纹。
  
  4 结 语
  
  尽管我国医疗电子产品已经取得了很大的发展和进步, 但是就我国现阶段的发展情况而言,还存在许多问题需要进一步地研究和解决。本研究主要探讨了医疗电子产品的 EMC
  
  性,对电源系统优化设计的材料和器材做了一些论述,我们 认为,通过合理的使用和设计这些材料和电子器材,能够大 幅度增加电源系统的抗干扰能力,从而减少电磁辐射,为医 疗卫生事业的发展提供有利的条件。
  
  [参考文献]
  
  [1] 孙逊之. 基于医疗电子产品的电源系统电磁兼容优化设计 [D].南京: 南京师范大学,2015.
  
  [2] 文基功. 试析医疗电子产品的电源系统电磁优化设计 [J]. 电子技术与软件工程,2016 ( 7) : 106.
  
  [3] 慈铁军. 电磁系统优化设计方法的研究 [J]. 水利电力机械,2004,26 ( 2) : 43 - 45.
  
  [4] 罗恒廉,李智华. 模拟退火法在电磁系统参数优化设计中的应用 [J] . 电气应用,1999 ( 3) : 34 - 36.

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